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Wärmepumpe allgemein

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigerem zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Bei der Wärmepumpe wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme z. B. zum Heizen genutzt. Dagegen wird bei der Kältemaschine die Abkühlung eines Kältemittels beim Entspannen und Verdampfen genutzt, um ein Fluid abzukühlen.

Bei der direkten elektrischen Beheizung, z. B. mit Heizstäben, entspricht die erzeugte Wärmeenergie genau der eingesetzten elektrischen Energie. Die elektrische Energie ist aber wesentlich hochwertiger als Wärmeenergie, und so kann einer Wärmesenke wie der Luft, dem Boden, einem Gewässer oder dem Grundwasser Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden. Mit einem Watt elektrischer Energie können so etwa 3 bis 5 Watt Wärme bei Temperaturen um 60 °C erzeugt werden. Dieses Verhältnis wird als Leistungszahl (COP) bezeichnet. Die Leistungszahl hat aber einen oberen Wert, der nicht überschritten werden kann (Carnotfaktor).

Die Bezeichnung Wärmepumpe beruht darauf, dass Wärme aus der Umgebung auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. Die Wärmepumpe hat einen elektrisch angetriebenen Verdichter, der ein Kältemittel verdichtet. Das Kältemittel entzieht beim Verdampfen der Umgebung Wärme, sogenannte Anergie. Die elektrisch eingesetzte Energie und die Anergie bilden die nutzbare Wärmeenergie.

Wirkungsweise und Wirkungsgrad

Wärmepumpenheizungen nutzen die Umweltwärme der umgebenden Luft, des Grundwassers oder des Erdreiches (Geothermie), um sie mittels Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau anzuheben, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können.

Zur Beheizung von Gebäuden werden meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen verwendet. Es finden jedoch auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen Verwendung. 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.

  • Die Kompressions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Verdampfungswärme. In ihr zirkuliert ein Kältemittel in einem Kreislauf, das, angetrieben durch einen Kompressor, die Aggregatzustände flüssig und gasförmig abwechselnd annimmt.
  • Die Absorptions-Wärmepumpe nutzt den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten bzw. Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst bzw. ausgetrieben.
  • Die Adsorptions-Wärmepumpe arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem „Adsorbens“, an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird.

Eine niedrige Wärmeträgertemperatur wird insbesondere bei Fußbodenheizungen erreicht, da eine große Wärmeübertragungsfläche genutzt werden kann. Es sollte eine gute Wärmedämmung für das zu beheizende Gebäude angestrebt werden, um bei geringem Wärmebedarf eine geringe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers zu fahren.

Das Verhältnis von Heizfläche zu der mittleren Übertemperatur von Heizkörper oder einer Fußbodenheizung verändert sich exponential. 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.

Es wird für das gesamte Wärmepumpenheizungssystem die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Heizenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie an und liegt in der Größenordnung von 3 bis maximal 4,5. Wärmepumpenhersteller geben in der Regel eine unter optimalen Bedingungen ermittelte Jahresarbeitszahl an.

Beispielrechnung:
Heizdauer: Eine Stunde mit einer Erdwärmepumpe mit 10 kW thermischer Heizleistung.
Bei einer Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe (Verhältnis von abgegebener thermischer zu aufgenommener elektrischen Energie) von 4 beträgt die über den Stromzähler abgerechnete Energiemenge für 10 kWh(therm) /4 = 2,5 kWh.

Je nach Qualität und Art des Brennstoffes entsprechen die oben erzeugten 10 kWh thermischer Energie dem Heizwert von etwa einem Liter Heizöl EL (42.600 kJ/kg bzw. 10,08 kWh/Liter) oder einem Kubikmeter Erdgas, die direkt im Haus zur Wärmegewinnung eingesetzt werden, jedoch noch unter Außerachtlassung des Wirkungsgrades eines alten Heizkessels mit rd. 70 %, womit 30 % Konvektions- und Abgasverluste darstellen. Selbst aktuelle Brennwertkessel mit sehr hohen Wirkungsgraden erreichen in der Praxis (mit Stillstandsverlusten bei ca. 20.000 Brennerstarts) meist keine 80 %.

Umweltverträglichkeit

Die Umweltverträglichkeit einer Wärmepumpenheizung hängt im Falle der Elektro-Kompressions-Wärmepumpe nicht zuletzt von der umweltverträglichen Bereitstellung des Stromes ab. Da neuerdings die EVU per Gesetz verpflichtet sind, die Herkunft ihres Stromes anzugeben, muss jeder für sich selbst entscheiden, ob die Umweltverträglichkeit für den Betrieb einer Wärmepumpe ausreicht.

Wird der Strom für die Wärmepumpe aus dem Beispiel oben in einem Kraftwerk mit angenommenen Gesamtwirkungsgrad von 45 % produziert, so müssen im Kraftwerk für eine Stunde privaten Wärmepumpenbetrieb 10 kWh/4 / 45 % = 5,56 kWh thermischer Energie aufgewendet werden, also nur grob die Hälfte des Primärenergieverbrauches einer hausinternen Gas- oder Öl-Heizung aufgewendet werden (10 kWh).
Der Strom kann jedoch auch durch moderne Kraftwerke wie z. B. Erdgas GuD-Kraftwerke mit Wirkungsgraden bis zu 57 % und höher erzeugt werden oder gar aus einem größeren Anteil regenerativ erzeugten Strom bestehen. In diesem Falle erhält man das ca. 2,5-fache der Nutzwärme aus der gleichen Primärenergiemenge, wie mit der direkten Verbrennung. Ebenso erhält man im Falle der Strom-Erzeugung in einem Biomasse-Kraftwerk mit 35 % Wirkungsgrad immerhin das 1,5-fache der Nutzwärme aus der gleichen Menge Holz, als mit der direkten Verbrennung.

In der Realität muss von Gesamtwirkungsgraden ausgegangen werden, die um 35 bis 40 % liegen. Das liegt im wesentlichen an überalterten Kraftwerken aber auch an den Verlusten auf dem Weg zum Endverbraucher.

Da nicht halb so viel Primärenergie wie bei einer direkten Verbrennung verbraucht wird, wird auch weniger als halb soviel fossile Wärme in die Atmosphäre freigesetzt, die neben der Halbierung der bekannten CO2-Problematik die Erderwärmung einbremst.

Wärmequellen

  • Erdwärmekollektoren sind in geringer Tiefe (ca 1-1,5m, Abstand ca. 1m) im Erdboden verlegte „Heizschlangen“.
  • Erdwärmesonden sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. Eine teurere Alternative, wenn die Grundstücksfläche für den Wärmegewinn via *Erdwärmekollektor nicht ausreicht. Die meisten Bohrungen werden bis 50 Meter ausgeführt. Reicht die Leistung einer Erdwärmesonde nicht aus, werden mehrere Bohrungen auf Basis der Entzugsleistung niedergebracht.
  • Die korrekte Dimensionierung der Wärmequelle ist entscheidend für das Erreichen der Arbeitszahl.
  • Grundwasser wird 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. Hier sollte vor der Installation einer Anlage eine Wasserprobe gemacht werden.
  • Luft direkt aus der Umgebung bzw. in Verbindung mit Erdwärmeübertrager.

In Deutschland rechnet man mit Temperaturen von 0 °C für Erdwärmekollektoren bzw. Erdwärmesonden und 8 °C für Grundwasser.

Luftwärmepumpen sind preislich günstiger als Solewärmepumpen, weil die Komponente zur Aufnahme der Bodenwärme (teure Erdsondenbohrung bzw. Erdwärmekollektor) entfällt. Die Luftwärmepumpe hat bei sehr tiefen Temperaturen geringere Effizienz, dagegen bei etwas wärmeren Tagen (etwa +5 bis 0 °C, die ja die Mehrheit der Wintertage aufweist) bereits sehr brauchbare Werte. Sie lässt sich auch bei Altbauten und Sanierungen in bivalenter Nutzung (d.h. zusammen mit einer sekundären Wärmequelle wie Brennwertgerät oder Ölheizkessel, einer thermischen Solaranlage und einem Schichtenspeicher) gut anwenden. Ihre Jahresarbeitszahl ist geringer als bei den anderen Systemen. Bei der Anlagendimensionierung ist unbedingt zu beachten, dass ab ca -10 °C die Arbeitszahl ca. 1,5 ist.

Als Entscheidunghilfe sollte man sich über die Arbeitszahlkennlinien informieren, diese bestimmt maßgeblich die Betriebskosten.

Dimensionierungwerte: Fußbodenheizung Vorlauftemperatur 35 °C, Heizkörperheizung Vorlauftemperatur 55 °C

Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonde kombiniert: Man nutzt erdoberflächennah gespeicherte Sonnenwärme, um an sie zu kommen, muss gebohrt werden. Das ist teuer und sollte allein deswegen schon professionell geschehen - was leider nicht immer geschieht. Ein rund dafür ist die momentane Wärmepumpen-Euphorie, die längst zu einem Engpass bei Bohrgeräten und Bohrfachleuten geführt hat. So wird z.B. beim Verfüllen des Bohrloches gerne geschludert: nachdem man die u-förmige (Zweirohr-) Sonde in das Loch eingelassen hat, muss es von unten her mit einer Mischung aus Bentonit und Zement `verdämmt´ werden, dabei dürfen keine Lufteinschlüsse entstehen, denn die würden wie Isoliermaterial wirken und so einen ergiebigen Wärmeübergang vom Erdreich auf die in der Sonde zirkulierende Sole verhindern. Auch muss man noch in der Planungsphase mit Hilfe von geologischen Karten die Art und den Aufbau des Bodens herausfinden, um beim Bohren nicht unliebsame Überraschungen zu erleben. Auch muss früh festgestellt werden, wie feucht die Erde ist: je feuchter die Erde ist, um so mehr Wärme kann die Sonde über die Sole zur Wärmepumpe fördern, da die Erdfeuchte für den Transport der Wärme in der Tiefe sorgt. Ideal ist als ein hoher und sehr ergiebiger Grundwasserspiegel, während man bei trockenen Sandböden auch schon mal Bohrungen umsonst macht, und das ist dann richtig teuer!
Im Altbaubereich kommt hinzu, dass die Grundstücke oftmals voll bewachsen, verbaut oder nicht mehr zugängig sind: großes Bohrgerät kann nicht mehr an Ort und Stelle gebracht werden und die Mindestabstände zwischen den Bohrungen sind - auch wegen oft zu kleiner Baugrundstücke - nicht mehr zu realisieren.
Seit kurzer Zeit gibt es neuartige Erdsonden, in denen nicht mehr wie bei den klassischen Sonden ein Gemisch aus Glykol und Wasser zirkuliert, welches gepumpt werden muss. Das kostet zusätzliche Energie und senkt den Wirkungsgrad der Gesamtanlage. Neue CO2-Sonden kommen ohne Antriebsenergie aus, sie arbeiten nach dem Prinzip eines Wärmerohres (heat-pipe). Dies ist ei Einrohrsystem: in einem kunststoffgeschützten Kupferrohr befindet sich CO2 mit einem Druck von 40 bar. Bei diesem Druck ist das CO2 zwei bis drei Grad warm und flüssig. Es läuft an der Rohrwand nach unten. Kommt es auf dem Weg in die Tiefe in immer wärmere Regionen, nimmt es die im Boden gespeicherte Wärme auf , bevor es bei Temperaturen von 9 bis 10 Grad verdampft. Diese Temperaturen erreichen man in unseren Breiten teilweise schon bei 20 bis 25 Meter Tiefe, die Bohrungen müssen also wahrscheinlich nicht mehr so tief werden. Die gasförmigen Moleküle rasen dann mit annähernder Schallgeschwindigkeit im Rohr nach oben. Hier, im Sondenkopf, wird die eingesammelte Wärme an das in Wärmetauscher-Rohren vorbeigeführte Kältemittel übergeben. Das CO2 wird kälter und damit wieder flüssig, der selbstständig ablaufende Prozess beginnt von neuem. Einziger Nachteil in Regionen mit warmen Erdschichten: es werden eben `nur´ ca. 9° bis 10° gefördert, also weniger als in z.B. vulkanischen Gebieten eigentlich möglich.
Die CO2-Sonde kommt zukünftig also ohne Hilfsenergie aus, der Kompressor der Wärmepumpe aber nicht. Er ist auf die hochveredelte Endenergie Strom angewiesen, so dass seit den ersten Wärmepumpen diskutiert wird, ob `stromschluckende´ Wärmepumpen wegen der bekanntermaßen schlechten Wirkungsgrade von Kraftwerken und der nicht gerade geringen Leitungsverluste überhaupt sinnvoll sind.

Fazit

Wärmepumpen schneiden bei Vergleichsrechnungen besser ab als selbst modernste öl- und gasbeheizte Heizungsanlagen einschließlich der vielgepriesenen Brennwertkessel. Deren Primär-Energie-Nutzungsgrad liegt zwischen 0,6 und 0,8, elektrische Wärmepumpen weisen Werte von 0,9 bis 1,4 auf.

Damit diese Zahlen aber stimmen, ist eine Voraussetzung erforderlich: bei den Wärmepumpen darf es sich nicht um wertlose Einfachware handeln!
Wichtig ist da der Blick auf die in den technischen Unterlagen veröffentlichten Leistungszahlen, die aber unter bestimmten Randbedingungen zumeist im Labor erfasst werden. Werden höhere Vorlauftemperaturen im Heizungssystem benötigt als die zumeist zugrunde gelegten 35°, so sinkt die Leistungszahl von tollen 4,5 auf nicht mehr so hervorragende 2,9 ab.
Die bessere Information bietet da die Jahresarbeitszahl, sie setzt die über zwölf Monate benötigte Strommenge zu der in diesem Zeitraum abgegebenen Wärmemenge ins Verhältnis. Damit zeigt diese Kennzahl, was die Gesamtanlage aus Wärmepumpe, Erdkollektor oder Erdsonde und dem Wärmeverteilsystem zusammen leistet. Da sie aber auch nicht frei von Witterungseinflüssen und dem Heiz- und Badeverhalten der Endverbraucher ist, kann sie kein Anlagenplaner garantieren. Zielgröße sollte eine Jahresarbeitszahl von 3,5 bis 3,8 sein. Mit den neuen Erdsonden (s.o.) sind - noch nicht statistisch belegt - Jahresarbeitszahlen von ca. 5,5 möglich.
Auch die neuste Generation der Wärmepumpen hat einen Schritt nach vorne gemacht: Neben nun modulierend regelbarer Drehzahl des Verdichters (-> Anpassung an die gerade herrschende Aussentemperatur) werden höhere Wärmeausbeuten mit Zweikreissystemen realisiert. Dabei werden die Verluste bei der Wärmeübertragung von der Sole auf das Kältemittel eingespart, die Jahresarbeitszahl wird wohl deutlich über 4 liegen. Auf dem Bild unten (entnommen der FAZ am 07.05.07) ist dies anschaulich dargestellt.

zur Diskussion:

Die Zeitschrift Ökotest kann die Anschaffung von Wärmepumpen nicht empfehlen. Denn wie ein aktueller Vergleich zeigt, setzen Elektro-Wärmepumpen mehr CO2 frei als moderne Gas-Brennwert-Heizungen.
Im Sonderheft Energie ist die Ökotest-Redaktion der Frage nachgegangen, ob der vielfach angepriesene Umweltvorteil von Wärmepumpen einer genaueren Betrachtung standhält. Dazu hat sie sich von den führenden Herstellern Leistungskennwerte für zehn Außenluft- und für zehn Erdreich-Wärmepumpen geben lassen.
Mit diesen Kennwerten wurde für ein Modell-Niedrigenergiehaus, das von einer vierköpfigen Familie bewohnt wird, der CO2-Ausstoß ermittelt und mit dem einer modernen Gas-Brennwert-Heizung verglichen.

Entscheidend für die CO2-Bilanz ist der angesetzte CO2-Ausstoß bei der Stromerzeugung. Weil der bundesdeutsche Strombedarf im Winter deutlich höher ist als im Sommer, kommen im Winter verstärkt Kohlekraftwerke zum Einsatz.
Deshalb liegt der CO2-Faktor von Wärmepumpenstrom mit 820 g/kWh über dem durchschnittlichen CO2-Faktor eines Jahres.

Gas-Brennwertheizung und Wärmepumpe im Vergleich

Die Wärmepumpe mit Strom aus erneuerbaren Energien zu betreiben, ist bei drei- bis fünffach höherem Strompreis nicht wirtschaftlich. Auch wird in Winternächten nicht gerade in einem solchen Umfang sauberer Strom produziert, um eine halbe Republik mit Elektro-Wärmepumpen beheizen zu können.

Nicht eine der untersuchten 20 Wärmepumpen wies einen niedrigeren CO2-Ausstoß auf als der Gas-BRENNWERT-Kessel. Das gilt sowohl für den Einsatz bei einer Zentralheizung mit Heizkörpern (Auslegung 55 °C) als auch bei einer Fußbodenheizung (Auslegung 35 °C).
Am schlechtesten im Vergleich schnitten Außenluft-Wärmepumpen mit Heizkörperheizung mit bis zu 71% mehr CO2-Ausstoß ab.
Die besten Erdreich-Wärmepumpen schafften lediglich bei der Fußbodenheizung mit dem BRENNWERT-Kessel gleichzuziehen.

Aber nicht nur durch den Stromverbrauch kommt es zu klimaschädlichen Emissionen. Auch viele verwendete Kältemittel sind wahre Klimakiller, soz.B. R404A und R407C. Deren Treibhauspotenzial ist 3750 bzw. 1.526 mal so groß wie das von CO2. Mit umweltfreundlichem Propan (R290) wurden nur vier der getesteten Geräte betrieben.

Für den Fall, dass ein Anschluss ans Erdgasnetz nicht möglich ist und Flüssiggasbezug nicht in Frage kommt, stellt sich die Frage des Vergleichs mit einer Ölheizung.
Nur elf der zwanzig getesteten Wärmepumpen wiesen deutliche Vorteile gegenüber einer Ölheizung auf.
Höhere CO2-Emissionen als die Modell-Ölheizanlage zeigten die Außenluft-Wärmepumpen in Verbindung mit konventionellen Heizkörpern.

Ihrem Anspruch als vermeintliche Ökoheizung, die auf saubere Art und Weise Wärme bereitstellt, wird die Elektro-Wärmepumpe nicht gerecht. Durch ihren Stromverbrauch kommt es zu CO2-Emissionen, die zwischen denen einer Gas- und einer Ölheizung liegen.

Aufgrund dieser Ergebnisse konnte die Ökotest-Redaktion keine Empfehlung zur Anschaffung einer Wärmepumpe aussprechen. So wurden lediglich zwei mit Propan als Kältemittel betriebene Erdreich-Wärmepumpen als eingeschränkt empfehlenswert eingestuft: Hautec HWS3048 und Stiebel WPWE 11KW.


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