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

Entgegen landläufiger Meinung enthält auch ein 3 °C kalter Gegenstand noch viel Wärmeenergie, weil seine Temperatur deutlich über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C liegt. Einen Teil dieser Energie kann man entziehen, wenn man ihn weiter abkühlt.

Die dazu erforderliche Anlage ist technisch fast wie ein Kühlschrank aufgebaut, mit deutlich mehr Antriebsleistung und heißt Wärmepumpe. Der Einsatz ist umso sinnvoller, je geringer die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmereservoir (zum Beispiel Grundwasser von 7 °C) und dem Heizungs-Vorlauf ist. Die meisten Wärmepumpen können keine Vorlauftemperatur höher als 60 °C erzeugen.

Zudem werden Wärmepumpenheizungen in wasserenthaltenden Umgebungen betrieben, so dass der Gefrierpunkt mit der dann reduzierten Wärmeleitfähigkeit von Eis eine natürliche Grenze der wirtschaftlichen Nutzung darstellt.

Für den Wärmeertrag muss Energie aufgebracht werden. Das Verhältnis von aufzubringender Energie zu ertragener Energie wird Leistungszahl genannt. Erst eine Leistungszahl größer als 4 gilt als wirtschaftlich.

Technische Einzelheiten

Zur Beheizung von Gebäuden werden im unteren Leistungsbereich meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen verwendet, bei höheren Leistungen auch Gasmotorwärmepumpen. Es finden jedoch auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen Verwendung. Wärmepumpen, die den Vuilleumier-Kreisprozess nutzen, sind dagegen 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 zur elektrischen Leistung 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. Ferner muss eine sehr gute Wärmedämmung für das zu beheizende Gebäude angestrebt werden, um bei geringem Wärmebedarf eine geringe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers fahren zu können.

Das Verhältnis von Heizfläche zu der mittleren Übertemperatur von Heizkörper oder einer Fußbodenheizung verändert sich exponentiell. Dies ist mit der veränderten Leistungsabgabe von Boilern bei steigenden Primärtemperaturen zu vergleichen. Diese Problematik verursacht zudem, dass mittels Wärmepumpe die Speichertemperatur nur auf eine bestimmte Temperatur angehoben werden kann. Die zu erzeugende Warmwassertemperatur ist von dem maximalen Verdichter-Hochdruck abhängig. Bei der Beheizung von Boilern 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

Zu Zeiten hohen Gesamtenergiebedarfs aus dem Stromnetz, beispielsweise Vormittags und am Abend, können Wärmepumpenheizungen nach den Technische Anschlussbedingungen (TAB) bis zu 3mal täglich für je 2 Stunden (auch ferngesteuert) abgeschaltet werden.

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 für eine Sperrzeitüberbrückung nicht notwendig wird.

Pufferspeicher sind für die Überbrückung von Sperrzeiten daher 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. Jedoch ist die Gefahr, dass ein Gebäude durch eine Sperrzeit abkühlt, relativ gering, aber in begrenztem Umfang möglich (Abkühlung 1-2 K), etwa bei einem Gebäude ohne oder mit nur wenig Speichermassen.

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:

$\varepsilon _{C}={\frac {T_{warm}}{T_{warm}-T_{kalt}}}$

Das Verhältnis von tatsächlicher zu Carnot-Leistungszahl ist der Gütegrad $\eta =\epsilon /\epsilon _{C}$ . Damit errechnet sich die Leistungszahl

\varepsilon =\eta \cdot {\frac {T_{warm}}{T_{warm}-T_{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 $T_{kalt}=273\ \mathrm {K}$ , etwa 0 °C) und Fußbodenheizung ( $T_{warm}=308\ \mathrm {K}$ , 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 ( $T_{warm}=328\ \mathrm {K}$ ) 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.

Zudem wird im Verdampfer häufig der Taupunkt unterschritten, das sich bildende Kondensat (Wasser) muss abgeführt werden. Wird zudem 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 ( $T_{kalt}=268\ \mathrm {K}$ , 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 abzugebende Wärmeleistung sehr stark durch Änderung der Luft- Außentemperatur zwischen Nennleistung und Null.

Daher wird für das gesamte Wärmepumpenheizungssystem die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Heizenergie zur aufgenommenen elektrischen Verdichterenergie an und liegt in der Größenordnung von 3 bis maximal 4,5. (Alle übrigen erforderlichen elektrischen Leistungen, wie beispielsweise die Ventilatorleistung einer Luft-Wärmepumpe, werden hierbei berücksichtigt.) Wärmepumpenhersteller geben in der Regel eine unter optimalen Bedingungen ermittelte Jahresarbeitszahl an.

Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

$JAZ={\frac {\int \limits _{t1}^{t2}{\dot {Q}}_{Heiz}\,dt}{\int \limits _{t1}^{t2}P_{el}\,dt}}$

Ökologische Bilanz

Die Umweltverträglichkeit einer Elektro-Kompressions-Wärmepumpe wird durch folgende Faktoren beeinflusst:

Art der Stromerzeugung (CO₂-Bilanz, Schadstoffemission, Kraftwerkswirkungsgrad),
Die direkten und indirekten Investitionen für das Gesamtsystem Wärmepumpe,
Verluste bei der Leitung des elektrischen Stroms,
Leistungszahl der Wärmepumpe (Bauart des Verflüssigers, Temperaturniveau),
Treibhauspotenzial des Kältemittels.

Eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3 erzeugt – bezogen auf die Aufnahme elektrischer Energie – die dreifache Wärmeenergie. Bei der Stromerzeugung und -leitung beträgt der Gesamtwirkungsgrad etwa 30 %. Das liegt im Wesentlichen am Wirkungsgrad des Kraftwerksparks, aber auch an den Leitungsverlusten auf dem Weg zum Endverbraucher. Bei einem Wirkungsgrad von 30 % benötigt man 3,3 Teile Primärenergie, um einen Teil Strom zu erzeugen. Wärmepumpen mit JAZ kleiner 3,3 verbrauchen mehr Energie als eine direkte Beheizung über eine Feuerstätte. Unter Berücksichtigung des oben genannten Wirkungsgrades der Stromerzeugung steht 90 % der in dem Kraftwerk eingesetzten Primärenergie für die Beheizung zur Verfügung. Dies entspricht etwa dem feuerungstechnischen Wirkungsgrad eines Heizöl- oder Gasheizungskessels, dabei ist die Primärenergiebilanz der Wärmepumpe im Vergleich zur direkten Verbrennung ausgeglichen. Ein ökologischer Vorteil besteht darin, dass selbst bei der Verbrennung emissionsreicher Brennstoffe im Kraftwerk (zum Beispiel Braunkohle) eine hocheffektive Rauchgasreinigung spezifisch geringere Emissionen verursacht. Die CO₂-Emissionen lassen jedoch durch Filter derzeit nicht vermeiden.

Da neuerdings die Energieversorgungsunternehmen (EVU) per Gesetz verpflichtet sind, die Herkunft ihres Stromes anzugeben, muss jeder für sich selbst entscheiden, ob er die Umweltverträglichkeit einer Wärmepumpe über seine finanziellen Möglichkeiten und den Wunsch nach Heizkosten-Ersparnis stellt. Heute kann jeder selbst in geringem Maße Einfluss darauf nehmen, wie umweltverträglich sein Strom ist. Dieses erfordert jedoch prinzipiell die Bereitschaft, auch mehr für diesen sog. „umweltverträglichen Strom“ auszugeben.

Wärmepumpen können in der Gesamtbetrachtung Brennstoff bzw. Primärenergie einsparen, da sie den Großteil der Wärmeenergie vor Ort, der Umgebung (siehe Absatz Wärmequellen) entnehmen. Brennstoffe für Heizzwecke machen den Großteil des deutschen Primärenergiebedarfs aus. Wärmepumpen bieten an dieser Stelle Potential zur CO₂-Einsparung. Voraussetzung ist jedoch eine hohe Jahresarbeitszahl.

Bei der CO₂-Einsparung gehen die Meinungen auseinander.

Ein weiteres Problem der Wärmepumpen sind sehr klimaschädliche Kältemittel wie R134a (Tetrafluorethan), R404A (Ersatzkältemittel für R502 und R22 (Chlordifluormethan)), R407C (Ersatz des Kältemittels R22) oder R410A. Ein Kilogramm dieser Kältemittel entwickelt das gleiche Treibhauspotential wie 1,3 bis 3,3 Tonnen CO₂. Es gibt jedoch auch klimafreundliche Alternativen wie R290, R600a oder R1270.

Systemtypen und Wärmequellen

Als Wärmequelle im Kollektorkreis 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 wirken sich hier jedoch die enormen Kosten für die einzelnen Bohrungen aus.

Spiralkollektoren oder Erdwärmekörbe

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 in einem Brunnen entnommen und durch einen so genannten Schluckbrunnen zurückgeführt. Hier ist die Qualität des Wassers von entscheidender Bedeutung für die Zuverlässigkeit des Systems. Vor der Installation einer derartigen Anlage sollte eine Wasserprobe gezogen werden. Durch die Nutzung von Grundwasser als Wärmeträgermedium entstehen nur geringe Wärmetauscherverluste; durch die hinzukommenden etwas höheren Grundwasser-Temperaturen im Mittel können Grundwasser-Wärmepumpen so mit Jahresarbeitzahlen (bis über 5) arbeiten, jedoch mit erhöhten Ansprüchen an den Wärmetauscher gegen die Verockerung bzw. Oxidierung bei eisen- und manganhaltigem Wasser.

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 im Verhältnis 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 jedoch über eine entsprechende Heizungs-/Lüftungsanlage bereits verfügen bzw. diese 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 als Wärmequelle hingegen unterliegt einer starken jahreszeitlichen Schwankung. Im Sommer hat die Wärmequelle über 20 °C, in der Heizperiode unter Null Grad, oftmals weniger als -10 °C. 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. Hohe Stromkosten sind die Folge. Relevant ist auch die meist erhebliche Geräuschbelastung der Umgebung, die eine Aufstellung in Gebäudenähe häufig problematisch macht. Ein typischer Schalldruckpegel zum Beispiel 51-62 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).

Auch aus ökologischer Sicht sind Luftwärmepumpen nicht empfehlenswert. Beispielsweise ist eine moderne Gasheizung mit Solaranlage ökologischer als eine Luftwärmepumpe. In allen österreichischen Landesförderungen (sowohl bei Wärmepumpen-Direktförderungen als auch für Wohnbauförderungen) muß das Wärmepumpensystem eine Jahresarbeitszahl (Wirkungsgrad) größer 4 nachweisen. Mit einer Luftwärmepumpe kann dies nicht erreicht werden. ^[1]^[2]

Orientierungswerte:

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

In Deutschland liegt den Berechnungen üblicherweise eine Temperatur von 0 °C für Erdwärmekollektoren bzw. Erdwärmesonden und von 8 °C für Grundwasser zugrunde.

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, die Kältemittelmenge und die Wahrscheinlichkeiten von Leckagen sind gering.

3-Kreis-System

Lange nutzten die Wärmepumpenheizungen diese Systemform. Sole wird als Übertragungsmedium genutzt, in Form einer Tiefenbohrung oder eines Flächenkollektors. Hierbei zirkuliert 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, welches über einen Wärmetauscher durch die Wärmepumpe erwärmt wird.

2-Kreis-System

Sie werden auch Direktsysteme genannt, weil sie auf den Solekreis verzichten. Es entfällt der Wärmeübergang vom Kollektorkreis (Sole) auf den Arbeitskreis der Wärmepumpe. Das Kältemittel nimmt die Wärme direkt auf (Direktverdampfung). Dies bringt alleine einen energetischen Vorteil von wenigstens 5K. Zugleich kann auch die Solezirkulationspumpe entfallen, was sich in einem niedrigeren Stromverbrauch auswirkt. 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 trauen sich bisher wenige (2007 zirka 2-3) Hersteller heran, weil er systemtechnisch (Druck und Temperatur des Kältemittels und Laufzeit der Wärmepumpe) schwierig in den Griff zu bekommen ist.

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)^[3]
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 zirka 40 % am erfolgreichsten war. 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 spef.<?> Kosten für die Heizwärme betragen mit einer Erdwärme nutzenden Wärmepumpe 3,9 Rp/kWh. (zirka € 0,024 /kWh), während eine konventionelle Ölheizung mit spez. Kosten von 7,9 Rp./kWh (zirka € 0,048 /kWh) zu veranschlagen ist. Eine staatliche Förderung ist somit überflüssig.^[4]

Kosten

Direkte Investitionen

Die anfänglichen Investitionen in Wärmepumpen-Anlagen sind höher als in herkömmliche Kessel, in denen Gas oder Öl verfeuert wird. Dafür entfallen im Neubau Zusatzkosten wie Schornstein-Einbau. Außerdem sind die stetig steigenden Preise für Öl und Gas auf längere Sicht zu bedenken.

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.

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 einem erheblich schlechteren Leistungszahl im Winter zu rechnen, wodurch die Betriebskosten höher ausfallen als mit Erdsystemen. Ab einer Grenztemperatur von etwa 5 °C ist die Leistungszahl so klein, dass eine Stromheizung günstiger wäre.

Betriebskosten

Heizöl

Ein Liter Heizöl kostet derzeit (Stand 11. April 2009) zirka 51 Cent und beinhaltet etwa 9-10 kWh thermisch nutzbare Energie. Somit ergibt sich ein Preis von zirka 5,1 bis 5,7 Cent/kWh für Öl. Öl-Brennwertthermen weisen im Betrieb gemittelte Wirkungsgrade von zirka 90 % auf. Damit ergibt sich für die Erzeugung der Nutzwärme ein Preis von 5,7 bis 6,3 Cent/kWh Wärme. Nicht inbegriffen ist der Energieaufwand des Ölbrenner, im einzelnen die der Pumpe, die das Öl vor der Verbrennung unter hohem Druck setzt, um das zerstäuben zu ermöglichen und des Gebläses, um das zerstäubte Öl mit Luft zu mischen.

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^[5] 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 zirka 9 Cent/kWh Nutzwärme.

Niedertarifstrom

Bei einem derzeitigen Brutto-Strompreis von 14 Cent/kWh (Wärmepumpen Stromtarif, 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 zirka 50 %. Bei einer JAZ von 2,5 liegt der Nutzwärmepreis bei 5,6 Eurocent/kWh (brutto) und nähert sich somit 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 (COP) 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 wird oft die nur verlagerten Emissionen fossiler Brennstoffe von den in der Mehrzahl fossil befeuerten Wärmekraftwerken übersehen. Auch unter Berücksichtigung der in solchen Kraftwerken verfeuerten, qualitativ geringwertigen Brennstoffe und trotz innovativer Wärmepumpentechnologien sowie deren gesteigerten Effizienz können nur bei Leistungszahlen von größer 4 auch volkswirtschaftlich Einsparungen erzielt werden. Denn 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

↑ Voraussetzungen für einen Umstieg auf Wärmepumpe.
↑ http://www.agenda-energie-lahr.de/files/WP-Schlussbericht_2006-08.pdf
↑ Quelle: BWP, Stiebel-Eltron (Deutschland), Fanninger Gerhard – IFF-Universität Klagenfurt (Österreich)
↑ Hochdruck bei den Wärmepumpen. (2007, 15. Juli). NZZ am Sonntag, S. 29
↑ „Gas-Brennwertheizkessel als EcoTopTen-Produkt“

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
Quaschning, Volker: Erneuerbare Energien und Klimaschutz, 2. Auflage 2009, ISBN 978-3-446-41961-2

Weblinks

[1] Voraussetzungen für einen Umstieg auf Wärmepumpe.

[2] ttp://www.agenda-energie-lahr.de/files/WP-Schlussbericht_2006-08.pdf

[3] Quelle: BWP, Stiebel-Eltron (Deutschland), Fanninger Gerhard – IFF-Universität Klagenfurt (Österreich)

[4] Hochdruck bei den Wärmepumpen. (2007, 15. Juli). NZZ am Sonntag, S. 29

[5] „Gas-Brennwertheizkessel als EcoTopTen-Produkt“

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