Wärmepumpen

Schon seit den 1970er Jahren werden Wärmepumpen in Wohngebäuden verwendet, meist zur Warmwasserbereitung. Seither hat sich diese Heiztechnik enorm weiterentwickelt, die vor allem im Neubau und in umfassend sanierten Gebäuden sehr häufig zum Einsatz kommt.

Wärmepumpen nutzen die Wärme aus der Luft (Umgebungsluft, Abluft), aus dem Erdreich oder dem Wasser (Grundwasser, Abwasser). Wie bei den meisten Heizsystemen üblich, wird diese Wärme auf Wasser übertragen und zu den Heizflächen geführt. Entsprechend der Quelle und dem Wärmeüberträger werden die üblichen Wärmepumpenarten benannt. Die verschiedenen Wärmepumpenarten werden später noch
näher beschrieben:

• Luft-Wasser-Wärmepumpe (auch Luftwärmepumpe)
• Sole-Wasser-Wärmepumpe (auch Erdwärmepumpe)
• Wasser-Wasser-Wärmepumpe (auch Wasserwärmepumpe)

Allgemeine Funktionsweise der Wärmepumpe

Die Funktionsweise aller Wärmepumpenarten gleicht der eines Kühlschranks, nur mit umgekehrter Wirkung: Der Kühlschrank entzieht seinem Innenraum Wärme, um Speisen und Getränke zu kühlen und gibt sie an die Umgebungsluft ab. Die Wärmepumpe entzieht der Energiequelle (Luft, Erde oder Wasser) Wärme und gibt sie an die Innenräume des Gebäudes ab. Weil die Temperatur der Quelle nicht zum Heizen ausreicht, wird die Wärme auf das benötigte Temperaturniveau „gepumpt“. Dazu braucht die Wärmepumpe Hilfsenergie, in der Regel ist das Strom.

Weil Strom in Deutschland die teuerste Energieform ist, muss bei Wärmepumpen ganz besonders auf Effizienz geachtet werden. Neben den im Folgenden beschriebenen elektrischen Wärmepumpen sind auch Gas-Wärmepumpen und Absorptionswärmepumpen auf dem Markt, deren Einsatzbereiche üblicherweise in größeren Wohngebäuden oder Gewerbegebäuden liegen. Auf diese wird hier nicht näher eingegangen.

Komponenten einer Wärmepumpenanlage

• Erschließung der Wärmequelle: Bei Erd- und Grundwasserwärmepumpen sind Eingriffe ins Erdreich (Bohrungen bzw. Ausschachtung) erforderlich, bei denen Sonden bzw. Rohre verlegt werden. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wird ein Ventilator zum Ansaugen der Luft benötigt, der im Wärmepumpenaggregat integriert ist.
• Wärmepumpenaggregat: Äußerlich unterscheidet es sich nur wenig von einem konventionellen Heizkessel. Es enthält u. a. Verdampfer, Kondensator, Kompressor (Verdichter) und Kältemittel. Das Kältemittel sollte klimafreundlich sein (geringer GWP-Wert (Treibhauspotential)).
• Speicher/Verteilsystem: Ein Wasserspeicher bevorratet die erzeugte Wärme und übergibt sie über ein Rohrsystem an die Heizflächen des Gebäudes.

Diese Komponenten beziehen sich auf einen sogenannten monovalenten Betrieb, das heißt die Wärmepumpenanlage versorgt das Gebäude allein und ihre Leistung ist entsprechend dimensioniert.
Bei einem bivalenten Betrieb übernimmt ein zusätzlicher Wärmeerzeuger die Spitzenlast an kalten Tagen. Dies ist meist ein elektrischer Heizstab (monoenergetisch), es kann auch ein Heizkessel mit anderen Brennstoffen sein, z. B. ein Gas-Brennwertkessel (Hybridsystem). Die Leistung der Wärmepumpe fällt im bivalenten Betrieb geringer aus. Es muss genau geregelt sein, wann und wie lange der zusätzliche Wärmeerzeuger tatsächlich zum Einsatzkommt.

Allgemeine Voraussetzungen für einen effizienten Betrieb

Ein geringer Stromverbrauch ist daher das entscheidende Kriterium für Effizienz, Wirtschaftlichkeit und
Umweltverträglichkeit. Dazu sind einige Voraussetzungen im Gebäude zu schaffen, die in Bestandsbauten nicht immer umsetzbar sind. Kombinationen mit anderen regenerativen Systemen – vor allem mit Solaranlagen – können zu einer höheren Effizienz beitragen.

Damit die Wärmepumpe nicht zum „Stromfresser“ wird, sollten diese Aspekte beachtet werden:

• Der Heizenergieverbrauch des Gebäudes sollte möglichst niedrig sein. Daher eignen sich Wärmepumpen nur für Neubauten und (umfassend) energetisch sanierte Bestandsbauten.
• Die Vorlauftemperatur – also die Temperatur des Wassers, das zu den Heizflächen geführt wird – sollte max. 30 bis 50 °C betragen. Dies ist in der Regel nur mit großen Heizflächen wie Fußboden- oder Wandflächenheizung oder speziellen Niedertemperatur-Heizkörpern möglich.
• Warmes Wasser in Bad und Küche wird manchmal wärmer als 40 °C benötigt oder muss – je nach Anlagengröße – aus hygienischen Gründen zumindest zeitweise auf 60 °C aufgeheizt werden. Das kann eine Wärmepumpe nur mit erhöhtem Stromverbrauch leisten. Optimal wäre daher die Kombination mit einer thermischen Solaranlage.
• Planung, Auslegung und Installation sind sehr komplexe Aufgaben, die von erfahrenen Fachleuten durchgeführt werden sollten.
• Wärmepumpen mit Invertertechnik bevorzugen: Diese können ihre Leistung besser an wechselnde Bedingungen anpassen.
• Im laufenden Betrieb sind die Verbrauchserfassung (Wärmemengenzähler, eigener Stromzähler) sowie die gezielte Anpassung an die realen Bedingungen (Nachregulierung) wichtig.

JAZ und COP: wichtige Kennzahlen für die Effizienz

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) gibt das Verhältnis von eingesetzter Hilfsenergie zu erzeugter Wärmeenergie der gesamten Anlage wieder. So bedeutet zum Beispiel JAZ = 3,8, dass mit 1 kW Strom 3,8 kW Wärmeenergie erzeugt werden. Die JAZ wird auf einem Prüfstand ermittelt, der reale Bedingungen simuliert. Dabei werden alle Stromverbraucher der Anlage erfasst, auch der elektrische Heizstab.
Nach dem ersten Betriebsjahr sollte man die eigene JAZ ermitteln (erzeugte Wärmemenge geteilt durch den Stromverbrauch der Wärmepumpe) und mit der prognostizierten vergleichen.

Der COP (Coefficient Of Performance) oder auch Leistungszahl bezeichnet ebenfalls das Verhältnis von eingesetzter zu erzeugter Energie, wird aber unter Laborbedingungen ermittelt. Dabei bezieht er sich allein auf die Wärmepumpe – ohne Berücksichtigung weiterer Anlagenkomponenten. COP-Werte machen die Effizienz von Wärmepumpen untereinander vergleichbar, unabhängig vom realen Einsatzbereich.

Die verschieden Wärmepumpenarten

Luftwärmepumpe

Die Luftwärmepumpe saugt die Umgebungsluft an und nutzt sie zum Heizen. Da Luft unbegrenzt verfügbar ist und Wartungs- und Installationsaufwand vergleichsweise gering sind, ist dieser Wärme pumpentyp relativ kostengünstig in der Anschaffung.

Ein Nachteil ergibt sich allerdings für kalte Wintertage, wenn die meiste Heizwärme benötigt wird: Je kälter die angesaugte Luft ist, desto ineffektiver arbeitet die Wärmepumpe. Ein weiterer Nachteil ist, dass Luft im Vergleich zu Wasser weniger Wärme speichern kann. Es muss also eine große Luftmenge bewegt werden, um ausreichende Wärmemengen gewinnen zu können.

Wichtige Entscheidungskriterien:

• Luftwärmepumpen eigenen sich wegen ihrer eingeschränkten Effizienz eher für Gebäude mit geringem Wärmebedarf. Bei höherem Bedarf können Hybridsysteme eine Lösung sein.
• Standort und Lagerung der Außeneinheit: Die Geräuschentwicklung der Außeneinheit („Ventilator“) kann ein Problem darstellen, daher sollte der Standort sorgfältig gewählt und das Aggregat fachgerecht aufgestellt werden.

Statt der Außenluft kann auch die Abluft („verbrauchte Luft“) von Lüftungsanlagen als Wärmequelle dienen. Bei diesen Luft-Luft-Wärmepumpen wird der Abluft die Wärme entzogen und der kalten Frischluft zugeführt, so dass diese vorgewärmt ins Gebäude strömt.

Erdwärmepumpe (Geothermie)

Das Erdreich eignet sich besonders gut als Wärmequelle (Geothermie), weil es die Sonnenenergie über einen längeren Zeitraum speichert. Bereits in wenigen Metern Tiefe liegt eine im Jahresverlauf nahezu konstante Temperatur von etwa 10 °C vor, daher können Erdwärmepumpen mit relativ wenig Hilfsenergie (meist Strom) Heizwärme erzeugen. Teuer sind dagegen die Erdarbeiten. Erdwärmepumpen arbeiten entweder mit Erdkollektoren oder mit Erdsonden.

Erdkollektoren: Man kann sie sich als eine Art „Fußbodenheizung“ im Garten vorstellen. Erdkollektoren (Horizontalkollektoren) werden in etwa 1,20 bis 1,50 Meter Tiefe verlegt und benötigen viel Platz: Je höher der Heizwärmebedarf des Gebäudes, desto größer muss die Fläche sein. Nach der Verfüllung der ausgeschachteten Bereiche kann die
Fläche wieder begrünt werden, jedoch nicht mit tiefwurzelnden Pflanzen. Auf eine Abdeckung durch Pflastersteine oder Terrassenplatten sollte verzichtet werden, damit der Boden durchlässig für Regenwasser bleibt. Je feuchter der Boden, desto besser ist die Wärmeausbeute der Kollektoren. Erdkollektoren sind bei großen, sonnigen Grundstücken und – wegen der umfangreichen Ausschachtungsarbeiten – v. a. bei Neubauten empfehlenswert.

Erdsonden: Erdsonden werden zwischen 30 und 100 Metern in die Tiefe gebohrt, ggf. liegen mehrere Sonden nebeneinander. Die Bodenart bestimmt die sog. Wärmeentzugsleistung, also die Wärmemenge, die die Sonde pro Meter dem Boden entziehen kann. Sind mehrere Bohrungen erforderlich, muss ein Mindestabstand zwischen den Sonden eingehalten werden, damit das Erdreich in der näheren Umgebung nicht zu sehr auskühlt.

Wasserwärmepumpe

Soll Wasser als Wärmequelle dienen, kommt meistens Grundwasser zum Einsatz. Es können aber auch Teiche, Fließgewässer oder Abwasser genutzt werden. Grundwasser hat wie das Erdreich eine vergleichsweise hohe, konstante Temperatur, so dass hier ähnliche Jahresarbeitszahlen erreichbar sind. Wegen des relativ hohen Aufwandes bei Installation und Wartung kommen Wasserwärmepumpen in privaten Wohngebäuden weniger häufig vor. Es werden zwei Brunnen errichtet, ein Förder- und ein Schluckbrunnen. Das Grundwasser wird vom Förderbrunnen zur Wärmepumpe transportiert – dort wird die Wärme entzogen – und dann zum Schluckbrunnen geleitet, wo es schließlich versickert. Entscheidende Voraussetzungen für eine Installation sind die Wasserqualität und ausreichend große Grundwasservorkommen unter dem Grundstück.

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