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Luft/Wasser-Wärmepumpe

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Definition: eine Wärmepumpe, die Luft als Wärmequelle benutzt und die Wärme an einen Wasserkreislauf abgibt

Englisch: air-to-water heat pump

Kategorien: Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.12.2013; letzte Änderung: 22.10.2016

Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe ist eine Wärmepumpe, die als Wärmequelle Luft benutzt und die Wärme an einen Wasserkreislauf abgibt – beispielsweise an ein Zentralheizungssystem oder in einen Pufferspeicher. Für die benutzte Luft gibt es verschiedene Möglichkeiten: Es kann Außenluft sein, die Luft in einem Innenraum oder auch warme Abluft z. B. von einer Lüftungsanlage. Diese Varianten werden alle weiter unten separat erklärt.

Luft/Wasser-Wärmepumpen gehören wie Luft/Luft-Wärmepumpen zu den Luftwärmepumpen (oder luftgekoppelten Wärmepumpen).

Eine grundsätzlich andere Lösung ist die Sole/Wasser-Wärmepumpe, bei der eine Sole (eine Flüssigkeit) als Wärmeträgermedium dient; die Wärmequelle ist dann z. B. das Erdreich (→ oberflächennahe Geothermie).

Die Wärmeentnahme aus der Luft erfolgt in einem Wärmeübertrager, der mit dem Verdampfer der Wärmepumpe (meist einer Kompressionswärmepumpe) verbunden ist und durch den Außenluft mit Hilfe eines starken Ventilators gedrückt wird. Die Verdampfertemperatur liegt im Betrieb etwas niedriger als die Temperatur der Außenluft, die also beim Durchströmen abgekühlt wird, meist um einige Kelvin. Der Stromverbrauch des Ventilators beträgt grob geschätzt 5 % des Verbrauchs des Verdichters und wird bei Leistungszahlen und ähnlichen Angaben mit berücksichtigt.

Luft/Wasser-Wärmepumpen für Wärmepumpenheizungen

Oft wird für Wärmepumpenheizungen Außenluft benutzt, da diese praktisch unbegrenzt verfügbar ist und ihre Abkühlung in der Regel kaum negative Auswirkungen hat. Es gibt unterschiedliche Bauweisen für solche Luft/Wasser-Wärmepumpen:

Einen grundlegenden technischen Unterschied zwischen diesen Varianten gibt es allerdings nicht. Insbesondere sind auch keine unterschiedlichen Leistungszahlen zu erwarten.

Einsatz eines Pufferspeichers

Häufig wird bei einer Wärmepumpenheizung ein Pufferspeicher eingesetzt, um eine hydraulische Entkopplung zu erreichen. (Dies wird im Artikel über Pufferspeicher erklärt.) Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen kann eine zusätzliche sinnvolle Funktion eines Pufferspeicher sein, den überwiegenden Betrieb der Wärmepumpe am Tag zu erreichen, wo die Lufttemperaturen gewöhnlich deutlich höher sind. Dies setzt natürlich voraus, dass die Wärmeleistung des Geräts ausreichend hoch ist, um den Puffer tagsüber beladen zu können, und dass der Puffer hierfür ausreichend groß ist.

Dass bei dieser Betriebsweise nur noch wenig Nachtstrom genutzt wird, ist in der Regel kein Problem, da die üblichen Wärmepumpen-Stromtarife dies nicht verlangen; wichtig ist nur die Unterbrechbarkeit des Betriebs für einige Stunden pro Tag.

Nachteil: niedrige Temperatur der Wärmequelle

Nachteilig ist bei Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Außenluft grundsätzlich, dass die Außenluft gerade dann sehr kalt ist, wenn der Wärmebedarf am höchsten ist. Dies hat zur Folge, dass die Wärmepumpe dann eine recht niedrige Leistungszahl erreicht; für eine bestimmte Wärmemenge wird dann relativ viel elektrische Energie benötigt (wenn es sich um eine Elektrowärmepumpe handelt). In der Folge wird auch die Jahresarbeitszahl, ein Maß für die durchschnittliche Energieeffizienz, niedrig, jedenfalls wenn der Betrieb bei tiefen Außentemperaturen häufig ist.

Wenn Luft/Wasser-Wärmepumpen als “besonders energieeffizient” bezeichnet werden, dann gilt dies allenfalls im Vergleich mit anderen Geräten dieser Bauart. Die physikalischen Grundgesetze gelten für alle Hersteller!

Moderne Wärmepumpen erreichen zwar höhere Jahresarbeitszahlen als ältere, aber auch da sind Luft/Wasser-Wärmepumpen z. B. gegenüber Sole/Wasser-Wärmepumpen zumindest bei kaltem Wetter klar im Nachteil, da das grundsätzliche Problem der niedrigeren Temperatur der Wärmequelle nicht durch einen technischen Trick beseitigt werden kann. Hinzu kommt der Strombedarf für den Ventilator, der deutlich höher ist als für eine Sole-Umwälzpumpe.

Problem der Vereisung des Verdampfers

Zusätzlich erschwerend wirkt das Phänomen der Vereisung des Luft-Wärmeübertragers. Bei Abkühlung der Luft steigt nämlich die relative Luftfeuchtigkeit. Wenn nun Wasser im Wärmeübertrager kondensiert und die Temperatur dort unter 0 °C liegt, kann das Kondenswasser in der Folge zu Eis erstarren. Dieses behindert dann zunehmend den Wärmekontakt zwischen Luft und Verdampfer. Die Verdampfertemperatur sinkt also weiter ab, und die Energieeffizienz wird weiter reduziert. Deswegen wird, wenn die Außentemperatur z. B. unter 5 °C sinkt, eine regelmäßige Enteisung (ein Abtauen) des Wärmeübertragers nötig. Hierzu muss dem Wärmeübertrager in der Regel Wärme zugeführt werden. (Eine rein mechanische Enteisung wäre effizienter, ist aber schwierig zu bewerkstelligen.) Auch wenn moderne Luft/Wasser-Wärmepumpen meist eine ausgefeilte Enteisungs-Strategie (meist mit Kältekreisumkehr) anwenden, geht auch dabei Energie verloren, und durch die Betriebsunterbrechung sinkt die durchschnittliche Abgabe von Nutzwärme noch weiter.

Man beachte, dass bei von Herstellern genannten Leistungszahlen die Abtauvorgänge teils nicht berücksichtigt sind, z. B. indem mit sehr trockener Außenluft gemessen wird.

Wie oft in der Praxis eine energieaufwendige und die Heizleistung reduzierende Enteisung notwendig ist, hängt von den klimatischen Bedingungen ab. Ungünstig sind diesbezüglich feuchte Standorte z. B. in der Nähe von Flüssen.

Andere Einflüsse auf die Energieeffizienz

Luft/Wasser-Wärmepumpe

Abbildung 1: Tisch-Verdampfereinheit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe zur Beheizung einer gewerblich genutzten Halle. Man erkennt die drei Ventilatoren, die Außenluft durch den Wärmeübertrager des Verdampfers strömen lassen.

Wie bei allen Wärmepumpen hängt die Leistungszahl auch von der benötigten Vorlauftemperatur des Zentralheizungssystems ab. Wenn diese hoch ist, muss gerade eine Luft/Wasser-Wärmepumpe gegen eine sehr hohe Temperaturdifferenz arbeiten und wird recht ineffizient. Unter Umständen reicht sogar die Heizleistung an kalten Tagen nicht mehr aus. Wenn dann zusätzlich oder ausschließlich ein Elektroheizstab verwendet wird (“monoenergetische Betriebsweise”), hat man effektiv eine Elektroheizung, und der Primärenergieverbrauch steigt stark an. Dies ist auch energiewirtschaftlich ungünstig, da der scharf ansteigende Verbrauch immer gerade an den Tagen auftritt, an denen die Kraftwerke und die Stromnetze ohnehin schon stark belastet sind. Auch wenn im Jahresmittel nur wenige Prozent der Heizwärme vom Elektroheizstab erzeugt werden, ist dies energiewirtschaftlich ein durchaus unerwünschter Effekt. Von daher ist eine Befreiung von Netznutzungsentgelten für monovalente Luft/Wasser-Wärmepumpen kaum zu rechtfertigen.

Weniger problematisch, teils sogar durchaus effizient ist der Einsatz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe unter günstigeren Umständen:

  • Wenn ein großzügig ausgelegtes Flächenheizungssystem verwendet wird (z. B. eine Fußbodenheizung), genügen relativ niedrige Vorlauftemperaturen, was die Temperaturdifferenz der Wärmepumpe reduziert. Aber auch dann ist die Sole/Wasser-Wärmepumpe wesentlich effizienter.

Unter manchen Umständen sind Luft/Wasser-Wärmepumpen durchaus effizient zu betreiben.

  • Es gibt Standorte mit mildem Klima, so dass die Wärmepumpe nicht allzu häufig bei Frosttemperaturen laufen muss. Idealerweise ist das Klima gleichzeitig auch trocken, so dass die Neigung zur Vereisung (siehe oben) nicht stark ist.
  • Bei bivalent-alternativ betriebenen Systemen arbeitet die Wärmepumpe nur bei Außentemperaturen oberhalb eines gewissen Grenzwerts, und sonst übernimmt eine andere Wärmequelle (z. B. ein Blockheizkraftwerk) die Versorgung. Die Wärmepumpe kann dann also immer im günstigen Temperaturbereich arbeiten. Wenn beispielsweise die Wärmepumpe nur bei Außentemperaturen oberhalb von 5 °C betrieben wird und Vorlauftemperaturen von bis zu 35 °C genügen, ist eine Jahresarbeitszahl oberhalb von 4 oder sogar 5 durchaus möglich. Die Wärmepumpe kann in solchen Fällen übrigens auch entsprechend kleiner ausgelegt werden.

Wärmepumpen mit Inverter-Technologie arbeiten in der Regel sehr viel energieeffizienter und damit sparsamer als Geräte mit Regelung durch Taktbetrieb!

Der Aspekt der Leistungsregelung ist bei Luft/Wasser-Wärmepumpen besonders wichtig. Erfolgt die Leistungsregelung durch Taktbetrieb, wie es leider immer noch üblich ist, wird die Wärmeleistung an wärmeren Tagen weit höher als nötig. Durch eine gleitende Regelung der Antriebsdrehzahl (realisierbar mit Invertertechnologie) oder auch durch veränderbare Einstellungen am Kompressor sind wesentlich höhere Jahresarbeitszahlen möglich.

Gute Luft/Wasser-Wärmepumpen erreichen z. B. im Betriebspunkt A2/W35 (2 °C Außentemperatur, 35 °C Vorlauftemperatur) eine Leistungszahl (einen COP-Wert) von etwa 4 oder noch etwas mehr. Solche Geräte sind also in Verbindung mit einer Niedertemperatur-Fußbodenheizung recht effizient, solange es keinen starken Frost gibt. Schlechtere Geräte liegen bei A2/W35 unter 3,5, teils sogar deutlich. An kalten Tagen mit z. B. −10 °C außen kann die Leistungszahl sogar deutlich unter 2 abfallen. Man beachte, dass der bei Volllast gemessene COP-Wert die Frage des Teillastbetriebs nicht berührt, also die kontinuierliche Leistungsregelung zusätzlich zu einem hohen COP-Wert verlangt werden sollte.

Die Energieeffizienz von Heizungs-Wärmepumpen kann mit einem sogenannten SCOP-Wert (seasonal coefficient of performance) nach der Norm EN 14825 angegeben werden, der für Vergleiche recht gut geeignet ist. Es handelt sich um einen gewichteten Mittelwert von COP-Werten bei verschiedenen Temperaturen. Er erlaubt die Abschätzung der in der Praxis möglichen Jahresarbeitszahl, wenn die Betriebsbedingungen in etwa dem entsprechen, was dem Verfahren für die Bestimmung der SCOP-Werte zu Grunde gelegt wurde. Hier wurde insbesondere eine Heizkurve (die die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur bestimmt) angenommen, die für ein konventionell mit Heizkörpern beheiztes Gebäude typisch wäre. Bei einem Gebäude mit Fußbodenheizung und entsprechend niedrigeren Vorlauftemperaturen könnte die Effizienz wesentlich höher ausfallen.

Einsatz bei der Modernisierung

Die Umstellung auf eine Wärmepumpenheizung ist mit der Luft/Wasser-Wärmepumpe oft einfacher, weil keine Erdwärmesonde, ein Erdregister o. ä. installiert werden muss. Andererseits haben die meisten Altbauten ein Zentralheizungssystem mit Heizkörpern, die relativ hohe Vorlauftemperaturen benötigen; in sofern ist gerade die Luft/Wasser-Wärmepumpe besonders schlecht geeignet. Deutlich besser wird die Situation erst, wenn durch eine gründliche energetische Sanierung einerseits der Wärmebedarf erheblich reduziert wird und andererseits die nötigen Vorlauftemperaturen niedriger werden.

Staatliche Förderung

Es gibt diverse Formen der staatlichen Förderung, beispielsweise in der Form von Investitionszuschüssen und verbilligten Krediten, für die Umstellung von Heizungsanlagen auf Wärmepumpen. Dies ist umstritten, soweit es eigentlich energetisch ineffiziente Wärmepumpen betrifft. In Deutschland stellt die BAFA allerdings die Bedingung für die finanzielle Förderung, dass das eingesetzte Gerät zumindest im Vergleich zu anderen Geräten derselben Bauart einigermaßen effizient ist. Beispielsweise müssen elektrisch betriebene Luft/Wasser-Wärmepumpen zur Zeit eine Jahresarbeitszahl von mindestens 3,5 erreichen (gemäß Fachunternehmererklärung mit Berechnung aus Wärmepumpen-Daten und benötigtem Temperaturniveau). Früher wurden leider auch Wärmepumpen gefördert, die im Winter wohl häufig auf Leistungszahlen unter 2 kommen und deswegen im Vergleich zu konventionellen Heizkesseln keinen ökologischen oder ökonomischen Vorteil bieten.

Geräuschentwicklung

Der Ventilator am Luft-Wärmeübertrager verursacht Geräusche, die auch im Außenbereich störend wirken können – vor allem bei Aufstellung nahe bei Schlafzimmern oder bei Plätzen im Außenbereich, wo man sich viel aufhält. In sensiblen Bereichen kann dies ein ernsthaftes Problem sein. Deswegen bemühen sich die Hersteller, möglichst leise Geräte zu entwickeln. Dies erfordert aber oft auch gewisse Kompromisse. Beispielsweise kann nachts die Drehzahl des Ventilators reduziert werden, aber dies reduziert dann zumindest die Heizleistung und unter Umständen auch die Energieeffizienz; sonst bestünde ja kein Anlass, tagsüber eine höhere Drehzahl zu wählen.

Kosten

Vorsicht: Die Installationskosten sind bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe zwar meist niedriger, aber der Ersatz des Geräts nach Ende der Lebensdauer wird teurer! Ohnehin liegen die Betriebskosten meist höher.

Die Installationskosten für eine Wärmepumpenheizung mit Luft/Wasser-Wärmepumpe sind deutlich geringer als die z. B. eines Systems mit Erdwärmesonde(n), weil die Installation von Erdwärmesonden relativ teuer ist. Dies ist der Grund dafür, dass oft Luft/Wasser-Wärmepumpen gewählt werden. Allerdings sollte nicht vergessen werden, dass das Wärmepumpengerät selbst teurer ist als bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe, und dass seine Lebensdauer mit z. B. 15 Jahren viel niedriger ist als die von Erdwärmesonden. Die Lebensdauer dürfte meist auch niedriger liegen als dies des Wärmepumpengeräts einer Sole/Wasser-Anlage. Dies bedeutet, dass die Kosten für Instandhaltung bzw. Ersatz in zukünftigen Jahren höher ausfallen. Hinzu kommen natürlich die höheren Betriebskosten als Folge der meist deutlich niedrigeren Jahresarbeitszahl.

Einsatz für die Raumkühlung im Sommer

Die sommerliche Kühlung kann mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe möglich sein, aber nicht die “freie Kühlung” mit minimalem Energieaufwand!

Es gibt Luft/Wasser-Wärmepumpen, die auch die Kühlung von Räumen im Sommer erlauben. Die Wärmepumpe arbeitet dann quasi in entgegengesetzter Richtung, und auch für den Kühlbetrieb werden erhebliche Mengen elektrischer Energie benötigt. Dies ist anders als bei Sole/Wasser-Wärmepumpensystemen, die (wenn sie dafür eingerichtet sind) eine “freie Kühlung” ermöglichen: Zur Kühlung benötigt man dann nämlich die Wärmepumpe gar nicht, da es genügt, die Kälte des Erdreichs zu nutzen. Man hat dann nur einen geringen Energieaufwand für den Betrieb von Umwälzpumpen. Dieser kann sogar mehr als ausgeglichen werden dadurch, dass die dabei erfolgende Aufwärmung des Erdreichs den späteren Heizbetrieb wieder effizienter macht.

Wärmepumpen mit Nutzung von Raumluft

Kleine Brauchwasserwärmepumpen nutzen manchmal die Luft im Aufstellungsraum, typischerweise einem Kellerraum. Vorteilhaft ist dabei nicht nur, dass kein Zugang zur Außenluft geschaffen werden muss, sondern auch, dass die Luft im Aufstellungsraum oft wärmer ist als die Außenluft. In manchen Fällen kann so auch die Abwärme von anderen Geräten genutzt werden. Wenn viel Abwärme verfügbar ist, beispielsweise in einer Industriehalle, kann sogar eine größere Wärmepumpe betrieben werden, die z. B. ein daneben stehendes Gebäude beheizen kann.

Die Nutzung der Raumluft führt natürlich zu deren Abkühlung. In Räumen mit starker Abwärmebelastung mag dies erwünscht sein. Im Kellerraum eines Wohngebäudes dagegen sollte die Abkühlung nicht allzu stark werden, da dies einerseits die Leistungszahl der Wärmepumpe vermindert und andererseits zu einem erhöhten Heizwärmebedarf in angrenzenden Räumen führen kann. Deswegen sollten die entnommenen Wärmemengen im Verhältnis zur Größe des Aufstellungsraums nicht allzu groß sein.

Probleme mit hoher Luftfeuchtigkeit sind kaum zu befürchten. Zwar steigt die relative Luftfeuchtigkeit, wenn ein Raum ohne Entnahme von Wasserdampf abgekühlt wird. Jedoch enthält eine Raumluft-Wärmepumpe einen Kondensatablauf, über den kondensiertes Wasser in eine Abwasserleitung gegeben wird. Es erfolgt also eine Entfeuchtung der Raumluft, was in Kellerräumen oft günstig ist.

Abluft-Wärmepumpen

Wenn Abluft nicht anders genutzt werden kann, z. B. für die Vorwärmung von Frischluft, kann eine Abluft-Wärmepumpe eine gute Lösung sein.

Große Mengen von Abluft können z. B. beim Betrieb von Lüftungsanlagen anfallen. Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe stellt eine Möglichkeit zur Wärmerückgewinnung dar. Man beachte aber, dass es energieeffizienter ist, die Wärme der Abluft in einem Luft/Luft-Wärmeübertrager zur Vorwärmung der Frischluft zu verwenden, wodurch sich der Antrieb einer Wärmepumpe erübrigt. Es gibt jedoch Fälle, wo dies nicht möglich ist und deswegen eine Abluftwärmepumpe eine sinnvolle Lösung sein kann. Je nach Menge und Temperatur der Abluft kann damit Wärme für eine Heizungsanlage oder für die Warmwasserbereitung gewonnen werden.

Literatur

[1]Ratgeber Wärmepumpenheizung: So finden Sie die richtige Variante!

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wärmepumpe, Luft/Luft-Wärmepumpe, Wärmepumpenheizung, Sole/Wasser-Wärmepumpe, Leistungszahl, Jahresarbeitszahl, Abluftwärmepumpe
sowie andere Artikel in den Kategorien Haustechnik, Wärme und Kälte

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