www.energie-lexikon.info
Das RP-Energie-Lexikon
Wärmepumpenheizung | <<< | >>> | Feedback |
Dieser Artikel lädt ein, Ansichten über die chinesischen CO2-Emissionen sowie über unsere Beiträge zum Klimaschutz zu überdenken.
Der aktuelle Film "Bulb Fiction" über Energiesparlampen betreibt Panikmache – ein Artikel über Quecksilber in Lampen und eine Kritik des Films klären die Fakten.
Sie können den Aufbau dieses Lexikons als Sponsor unterstützen. Damit leisten Sie einen Beitrag für die Allgemeinheit, der von vielen Lesern wahrgenommen wird.
Tipp: Neben den Lexikon-Artikeln gibt es noch diverse interessante Extra-Artikel!
Definition: ein Heizsystem basierend auf einer oder mehreren Wärmepumpen
Wärmepumpen sind besonders geeignet für die Beheizung von Gebäuden, vor allem wenn das benötigte Temperaturniveau der Heizwärme (die Vorlauftemperatur eines Zentralheizungssystems) relativ niedrig ist und ein geeignetes Wärmereservoir zur Verfügung steht. Ähnliches gilt für die Beheizung von Schwimmbädern.
Grundlegende Aspekte von Wärmepumpen wie das Funktionsprinzip, die Energie- und Exergiebilanz sowie der Vergleich mit anderen Methoden der Wärmeerzeugung werden im Artikel über Wärmepumpen behandeln. Der vorliegende Artikel konzentriert sich auf den Einsatz von Wärmepumpen für Heizzwecke.
Heizungswärmepumpen können unterschiedliche Quellen von Umweltwärme oder Abwärme nutzen:
Häufig werden Erdsonden eingesetzt, die z. B. 100 m oder 200 m tief in das Erdreich eindringen. Eine frostgeschützte Flüssigkeit (ein Wasser-Glykol-Gemisch, oft ungenau als Sole bezeichnet) zirkuliert zwischen Erdsonde und der Sole-Wasser-Wärmepumpe. Die Flüssigkeit (das Kältemittel) ist im Betrieb etwas kühler als das Erdreich, entzieht diesem also Wärme, die sie dann an den Verdampfer der Wärmepumpe abgibt. Typischerweise liegt die Temperatur der Sole auch im Winter bei ca. 0 °C, was gute Leistungszahlen ermöglicht.
Die Länge und Anzahl der benötigten Erdsonden richtet sich nach der benötigten maximalen Heizleistung und ein Stück weit auch nach der Bodenbeschaffenheit. Ein typischer Richtwert ist eine Länge von 15 m pro kW Heizleistung. Für hohe Heizleistungen werden Erdsonden kostspielig, da die Kosten fast proportional zur Heizleistung ansteigen.
Nicht überall ist der Untergrund für Erdsonden geeignet. Manchmal stellt sich dies erst bei der Bohrung heraus, und in seltenen Fällen treten dann sogar Schäden auf, etwa durch das Aufquellen von Bodenschichten, die Anhebungen der Oberfläche auslösen. In Grundwasserschutzgebieten dürfen im Allgemeinen keine Erdsonden installiert werden.
Sole-Erdsonden sind im Sommer auch gut für die Kühlung (Klimatisierung) des Hauses nutzbar. Hierfür wird die Wärme z. B. aus einer Fußbodenheizung ohne Benutzung der Wärmepumpe in die Erdsonde abgegeben. Der Energieaufwand ist im Vergleich zu dem für eine Klimaanlage mit Kältemaschine sehr gering (“free cooling”), da lediglich eine Pumpe betrieben werden muss. Dieser geringe Energieaufwand kann sogar noch kompensiert werden dadurch, dass die aufgewärmte Umgebung der Sonde später, wenn wieder Wärme benötigt wird, einen effizienteren Wärmepumpenbetrieb ermöglicht.
Erdsonden werden im Sommer manchmal auch benutzt, um überschüssige Wärme einer Solaranlage in den Boden zu leiten.
Manche Erdsonden arbeiten nach dem System der Direktverdampfung: Hier zirkuliert anstelle einer Sole das Kältemittel der Wärmepumpe in der Sonde. Hiermit wird ein Wärmetauscher weniger benötigt, und der bessere Wärmeübergang sowie die entfallende Solepumpe können die Energieeffizienz solcher Direktsysteme deutlich verbessern. Allerdings sind solche Erdsonden tendenziell teurer (wegen der höheren Materialkosten) und können nicht zur “freien Kühlung” verwendet werden, sondern nur zur Kühlung mit Benutzung der Wärmepumpe.
Eine weitere Variante von Erdsonden sind Energiepfähle, die zusätzlich auch eine statische Funktion für das Gebäude haben. Auf solche Energiepfähle kann ein Baufundament abgestützt werden.
Es gibt auch spezielle Erdsonden, die mit Kohlendioxid (CO2) anstelle eines wässrigen Gemischs als Wärmeträger arbeiten. Die Sonde arbeitet dann als eine “heat pipe”, in der das Kohlendioxid wegen des hohen Drucks von ca. 45 bar teilweise flüssig und teilweise gasförmig ist. In der Sonde verdampft Kohlendioxid unter Wärmeaufnahme aus dem Erdreich. Das gasförmige Kohlendioxid steigt nach oben, wo es in einem Wärmetauscher Wärme an das Kältemittel der Wärmepumpe abgibt. Das verflüssigte Kohlendioxid läuft an den Wänden der Sonde wieder nach unten, um dort erneut verdampft zu werden. Der Kohlendioxid-Kreislauf benötigt keinen aktiven Antrieb, also auch keine Antriebsenergie wie bei anderen Sonden für eine Umwälzpumpe. Wärmepumpenheizungen mit CO2-Erdsonden arbeiten meist besonders energieeffizient, mit Jahresarbeitszahlen oberhalb von 5. Die Nutzung zur Kühlung im Sommer ist allerdings mit solchen Systemen nicht möglich, und die Installation ist relativ teuer, da für die Sonde ein Rohr aus Edelstahl oder Kupfer benötigt wird anstelle von Kunststoff wie bei Sole-Systemen.
Ebenfalls gebräuchlich sind in geringer Tiefe von z. B. 1,5 m verlegte Erdregister, die z. B. unter einem Garten liegen können, und Erdwärmekörbe. Sie haben bezüglich Effizienz und Kosten ähnliche Eigenschaften wie Erdsonden.
Die Verlegung von Erdregistern erfordert häufig größere Erdarbeiten und kommt deswegen eher bei Neubauten in Frage. Eine Voraussetzung ist eine ausreichende Grundstücksfläche; die nötige Fläche der Erdsonde beträgt ca. 30–60 m2 pro kW Heizleistung. Eine unerwünschte Nebenwirkung kann etwas verzögertes Pflanzenwachstum in einem Garten sein, welches die Abkühlung des Bodens verursacht.
Abbildung 1: Wärmepumpenheizungen können verschiedene Wärmequellen nutzen: Erdwärme über Erdsonden, Erdregister oder Erdwärmekörbe, Wärme aus Grundwasser und Umgebungsluft.
In manchen Fällen kann oberflächennahes Grundwasser genutzt werden, welches in einem Brunnen gewonnen, in einem Wärmetauscher abgekühlt und dann wieder versickert wird.
Da das Grundwasser häufig eine höhere Temperatur von z. B. 12 °C aufweist, kann eine Grundwasser-Wärmepumpe im Prinzip deutlich effizienter arbeiten als eine Sole-Wasser-Wärmepumpe. In der Praxis ist jedoch oft das Gegenteil der Fall, weil der Wärmeübergang im Grundwasser-Wärmetauscher durch Verschmutzung behindert werden kann und weil der Betrieb der Pumpe für die Grundwasserumwälzung erhebliche Mengen elektrischer Energie benötigen kann, insbesondere wenn die Lage nicht sorgfältig ausgelegt ist. Pro Kilowatt Heizleistung müssen stündlich ca. 300–400 Liter Wasser gefördert werden.
Der Einsatz von Grundwasser-Wärmepumpen ist wegen der Gefahr von Grundwasser-Verschmutzungen nicht überall erlaubt und mancherorts nur für etwas größere Anlagen (etwa zur Beheizung von großen Wohnblocks), um die Zahl der zu kontrollierenden Zapfstellen übersichtlicher zu gestalten.
Das Anlegen eines Grundwasserbrunnens ist häufig zu teuer für ein einzelnes Wohnhaus. Da die Kosten aber relativ wenig von den benötigten Wassermengen abhängen, ist die Wirtschaftlichkeit für größere Anlagen besser.
Flusswasser kann mancherorts auf sehr ähnliche Weise wie Grundwasser genutzt werden, wird allerdings im Winter kälter.
Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen meist Außenluft. Diese ist immer und überall ohne großen Aufwand verfügbar, auch wo z. B. Erdsonden nicht erlaubt sind. Der Nachteil ist jedoch, dass die Außenluft gerade dann besonders kalt ist, wenn für eine Heizung viel Wärme benötigt wird. Hinzu kommt, dass solche Geräte vor allem bei Außentemperaturen um 0 °C und nebligem (feucht-kaltem) Wetter zur Vereisung des Verdampfers neigen. Dies macht regelmäßige Abtauvorgänge notwendig und senkt die Leistungszahl weiter (typisch um ca. 10–15 %). Man beachte, dass bei von Herstellern genannten Leistungszahlen die Abtauvorgänge teils nicht berücksichtigt sind, z. B. indem mit sehr trockener Außenluft gemessen wird.
Aus den genannten Gründen arbeiten Luft-Wasser-Wärmepumpen meistens erheblich weniger effizient als z. B. Sole-Wasser-Wärmepumpen; die Jahresarbeitszahl liegt häufig deutlich unter 3. Dagegen ist ihre Installation kostengünstiger, da keine Erdsonden o. ä. benötigt werden. Verglichen mit einem Erdgas-Brennwertkessel sind die durch Luft-Wasser-Wärmepumpen verursachten CO2-Emissionen häufig höher, was allerdings auch vom verwendeten Strommix abhängt.
Luft-Wasser-Wärmepumpen können im Keller oder auch im Freien aufgestellt werden. Bei manchen Geräten verursacht der Ventilator am Außenluft-Wärmetauscher in der Umgebung eine störende Lärmbelastung. Viele neue Geräte sind jedoch recht leise.
Ideale Verhältnisse liegen oft vor, wenn Abwärme von Anlagen oder Gebäuden zur Verfügung steht, z. B. in Form warmer (selbst nur lauwarmer) Abwässer oder warmer Abluft in ausreichender Menge.
Weniger gebräuchlich sind in Dachziegel integrierte Wärmetauscher sowie Anlagen, die Solarwärme in eine Wärmepumpe einspeisen.
Manche Passivhäuser besitzen eine Warmluftheizung, bei der eine Wärmepumpe bei Bedarf die Zuluft nachheizen kann, wobei z. B. die Abluft als (freilich nicht sehr ergiebige) Wärmequelle dient.
Vielfach werden monovalente Wärmepumpen eingesetzt, die die gesamte Heizenergie liefern, abgesehen evtl. von dem kurzzeitigen Einsatz eines Notheizsystems (z. B. mit Elektroheizstab). Jedoch gibt es auch bivalente Systeme, bei denen die Wärmepumpe z. B. mit einem Heizkessel unterstützt oder von diesem ganz ersetzt wird, sobald die Außentemperaturen zu tief werden (den sogenannten Bivalenzpunkt unterschreiten). Falls Wärmepumpe und Heizkessel gleichzeitig betrieben werden, dient häufig die Wärmepumpe zu einer Vorwärmung des Heizwassers, und der Heizkessel hebt die Temperatur dann weiter an. Eher gebräuchlicher ist aber der bivalent-alternative Betrieb, bei der unterhalb einer bestimmten Außentemperatur nur der Heizkessel genutzt wird, darüber nur die Wärmepumpe.
Der monovalente Einsatz hat offenkundige Vorteile betreffend die Investitions- und Wartungskosten sowie den Platzbedarf. Es gibt jedoch auch Nachteile:
Die Vorteile des bivalenten Betriebs:
Tendenziell werden bei Einfamilienhäusern und kleineren Mehrfamilienhäusern eher monovalente Anlagen eingesetzt. Bivalenter Betrieb kommt eher für größere Anlagen in Frage.
Viele Heizungswärmepumpen sind auch für die Bereitung von Warmwasser geeignet. Das Anlagengehäuse enthält dann häufig zusätzliche Komponenten wie Rohranschlüsse zur Verbindung mit dem Wärmetauscher eines externen Warmwasserspeichers, Schaltventile und Ergänzungen der eingebauten elektronischen Regelung. Es gibt auch Kompaktgeräte, bei denen der Warmwasserspeicher im gleichen Gehäuse sitzt wie die Wärmepumpe, was tendenziell kostengünstiger ist und Bereitschaftsverluste reduziert.
Der Artikel über Brauchwasserwärmepumpen beschreibt Geräte, die nur für die Warmwasserbereitung (nicht für die Heizung) eingesetzt werden.
Energetisch und ökologisch am günstigsten dürften Systeme sein, bei denen soweit vorhanden Solarwärme verwendet wird und eine Wärmepumpe den Restbedarf deckt. Jedoch ist auch ein reines Wärmepumpensystem, wenn es gut ausgelegt ist, sehr effizient.
Es kommt leider vor, dass Wärmepumpenheizungen mit einem Elektroboiler ergänzt werden in der Meinung, dies sei energetisch sinnvoll, weil so die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe höher wird und Nachtstrom genutzt werden kann. Die einzig relevante Größe für die Energieeffizienz ist jedoch die Jahresarbeitszahl des Gesamtsystems (Heizung und Warmwasserbereitung), und diese ist deutlich höher, wenn die Warmwasserbereitung über die Wärmepumpe erfolgt. Zudem spart die Verwendung von Nachtstrom zwar häufig Kosten ein, die einen guten Teil des Effizienzverlusts finanziell wettmachen, hat aber ökologisch keine besonderen Vorteile.
Die Investitionskosten für den Bau einer Wärmepumpenheizung sind meist beträchtlich. Außer der Wärmepumpe selbst können die benötigten Erdsonden, Erdregister oder Grundwasserbrunnen erhebliche Kosten verursachen. Andererseits ist die Lebensdauer solcher Anlagen meist sehr hoch, jedenfalls für die meisten Teile.
Die Betriebskosten liegen typischerweise recht niedrig, vor allem bei Systemen mit hoher Jahresarbeitszahl. Auch der Wartungsaufwand ist für Elektrowärmepumpen deutlich geringer als z. B. bei Systemen mit Heizkesseln. Zudem gibt es mancherorts auch staatliche Zuschüsse für Wärmepumpen, zumindest wenn sie gewisse Effizienzanforderungen erfüllen.
Für die Bewertung der ökologischen Bilanz von Wärmepumpenheizungen sind hauptsächlich die folgenden Aspekte zu berücksichtigen:
Zusätzliche, quantitativ meist weniger bedeutsame Aspekte sind
Natürlich ist die ökologische Bilanz jeweils mit der von anderen Heizungssystemen zu vergleichen. Ersetzt beispielsweise eine Wärmepumpenheizung eine Elektroheizung, dürfte dies ökologisch gesehen praktisch immer eine massive Verbesserung bedeuten. Dagegen können diverse andere Möglichkeiten unter Umständen auch ökologisch günstiger sein, z. B. die Wärmegewinnung aus Holzpellets. Ebenfalls kann die energetische Sanierung einer Gebäudehülle vorteilhafter sein als der Ersatz einer Gasheizung durch eine Wärmepumpenanlage.
Einige Wertungen und Empfehlungen für den Einsatz von Wärmepumpen in Heizungssystemen:
| [1] | Faktor-Themenheft 15 Wärmepumpen, Herausgeber: Bundesamt für Energie |
| [2] | Erdwärmesonden, Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme mit Erdwärmesonden des Landesamts für Umwelt und Geologie in Sachsen |
| [3] | Simone Bassetti und Ernst Rohner, Projekt Handbuch Erdwärmekörbe, im Auftrag des Bundesamts für Energie BFE |
| [4] | Forschungsprojekt Wärmepumpen-Effizienz des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, mit Ergebnissen von Feldtests |
| [5] | Ergebnisse eines Feldtests für Elektrowärmepumpen von der Lokalen Agenda-Gruppe 21 |
| [6] | Ergebnisse von Feldmessungen an Luft-Wasser Wärmepumpen in sanierten Einfamilienhäusern von der Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie (AEE) in Kärnten |
Siehe auch: Wärmepumpe, Brauchwasserwärmepumpe, Zentralheizung, Fußbodenheizung