Wärmepumpen

Wärmepumpen – Heizen mit Wärme aus der Umwelt

Steigende Energiepreise, verbunden mit langen und kalten Wintern, wie sie in den vergangenen Jahren häufiger auftraten, lassen Hausbesitzer verstärkt nach Möglichkeiten suchen, den Verbrauch und damit die Kosten im Griff zu halten. Hinzu kommt ein steigendes Umweltbewusstsein, denn fossile Brennstoffe belegen stets die Spitzenpositionen auf der Rangliste der weltweiten Klimakiller. Also ein Grund mehr, über alternative Energien nachzudenken.

Der Abschied von Öl und Gas

Der Gesetzgeber hat ebenfalls die Zeichen der Zeit erkannt und nimmt Hausbesitzer immer mehr in die Pflicht, alternative Heiztechniken umzusetzen. So ist absehbar, dass schon bald Häuser ohne Nutzung regenerativer Energien nahezu unverkäuflich sein werden. Die gute Nachricht: Gleichzeitig steigert eine alternative Heizungsanlage aber auch den Wert des Hauses.

Die Nachfrage insbesondere nach Wärmepumpen steigt stetig. Im Wohnungsneubau wurden 2011 in 23% der Wohnhäuser Wärmepumpen eingebaut, nur noch übertroffen von Gasbrennwertheizungen mit noch immer 50%. Doch was macht die Wärmepumpe so attraktiv und ist sie überhaupt ökologisch sinnvoll?

Wie funktioniert eine Wärmepumpe?

Eine Opens external link in new windowWärmepumpe entzieht der Umwelt Wärme aus Erde, Wasser oder Luft, pumpt diese auf ein höheres Niveau und gibt die Wärme an das Heizwasser ab. Dabei arbeitet eine Wärmepumpe nach dem bewährten Prinzip eines Kühlschranks. Während für einen Kühlschrank die kalte Luft genutzt und die warme an den Raum abgegeben wird, funktioniert eine Wärmepumpe genau umgedreht: Die warme Luft wird nutzbar gemacht, die kühle abgegeben.

Die Wärmepumpe bildet einen geschlossenen Kältekreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert, das bereits bei einer sehr niedrigen Temperatur verdampft. Es gelangt unter geringem Druck und mit niedriger Temperatur an den Verdampfer, nimmt dabei Umweltenergie aus dem Erdreich, Grundwasser oder Luft auf und wird gasförmig. Der Verdichter erhöht unter Einsatz von zumeist elektrischer Energie den Druck des gasförmigen Kältemittels. Dabei erhöht sich die Temperatur erheblich. Diese Wärme wird am Verflüssiger auf den Heizkreislauf übertragen, das Kältemittel kühlt ab und wird wieder flüssig. Am Expansionsventil wird das Kältemittel entspannt und Druck und Temperatur stellen sich wieder auf das Ausgangsniveau ein. Der Kreislauf ist geschlossen und kann erneut beginnen.

Die Effizienz der Wärmepumpe

Wärmepumpen werden häufig als eine der vielversprechendsten Heiz- und Warmwasserlösungen der Zukunft beworben. Heizkostenersparnis bis zu 75% werden genannt. Und es stimmt: Wärmepumpen können sehr effizient sein. Aber ... wie auch bei allen anderen Systemen, müssen etliche Voraussetzungen stimmen und die Planung und Auslegung der Wärmepumpe sehr sorgfältig erfolgen.

Der Stromverbrauch der Wärmepumpe wird im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle, also Wasser, Boden oder Luft, und der Wärmesenke, dem Heizungs- und Trinkwarmwasser, beeinflusst. Von großem Vorteil ist also eine Quelle mit möglichst hoher und konstanter Temperatur und ein Heizungssystem, das mit niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben wird. Ebenso wirken sich aber auch der energetische Zustand des Gebäudes, die Art der Nutzung und hydraulischen Einbindung, die Höhe des Warmwasserverbrauchs und natürlich auch das Nutzerverhalten auf den Stromverbrauch aus.

Zwei Kennzahlen beurteilen die Effizienz einer Wärmepumpe

Die Leistungszahl , engl. COP (Coefficient of Performance) ist das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung an das Heizungs- und Trinkwarmwasser zu der aufgenommenen Energie, dem Strom, und bewertet die Effizienz der Wärmepumpe. Betrachtet wird dabei nur das Gerät an sich mit seinen eingebauten Komponenten und nicht das gesamte Heizsystem. Der COP wird für unterschiedliche Temperaturdifferenzen angegeben und fließt als wichtige Größe in die Gesamtberechnung der Auslegung ein. Die Leistungszahl sollte also möglichst hoch sein.

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist eine Kenngröße für den wirtschaftlichen Betrieb der Wärmepumpe. Sie bildet das Verhältnis von abgegebener Energie an Heizung und Warmwasser zu benötigter aufgenommener Energie. Dabei werden allerdings alle eingesetzten Hilfsenergien, auch für Pumpen (Sole-Umwälzpumpe, Wasserhebepumpe, Heizungspumpe), Ventilatoren oder auch einen elektrischen Heizstab während eines Jahres mit berücksichtigt und das gesamte System bewertet. Somit ist sie eine wesentlich wichtigere Angabe, zum Beispiel auch für mögliche Förderungen. Die JAZ soll auf alle Fälle größer als 2,6 sein, um die Verluste bei der Stromerzeugung im Kraftwerk auszugleichen. Häufig werden Werte von 4 und größer angegeben, die aber in verschiedenen Feldtests und Untersuchungen in den seltensten Fällen erreicht werden. Mehr Informationen finden SieOpens external link in new window hier

Wärme aus dem Grundwasser – die Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Die Nutzung des Grundwassers gilt als besonders effizient. In einer Tiefe von etwa 10 m liegen konstante Temperaturen von etwa 10°C vor. Eine möglichst konstantes und hohes Temperaturniveau ist sehr vorteilhaft für den Betrieb einer Wärmepumpe.

Bei der Wasser/Wasser-Wärmepumpe müssen zwei Brunnen gebohrt werden, die in Fließrichtung des Grundwassers in einem Mindestabstand von 10 m liegen. Durch den Förderbrunnen wird das Grundwasser entnommen und der Wärmepumpe zugeführt. Dort wird das Wasser um 3 bis 4 Grad abgekühlt und über den Schluckbrunnen wieder an das Grundwasser zurückgeführt. Das Grundwasser sollte dabei nicht tiefer als 15m liegen, da sonst der höhere Stromverbrauch der Tauchpumpe zu einer deutlich schlechteren Jahresarbeitszahl führt. Bei der Wasser/Wasser-Wärmepumpe sind JAZ bis zu 4,5 möglich.

Im Vorfeld der Planungen müssen exakte Informationen über Verlauf, Tiefe und Fließrichtung des Grundwassers gesammelt und Kenntnisse zur Ergiebigkeit des Brunnens und der Wasserqualität vorliegen. So kann ein hoher Eisengehalt zu Oxidationen führen und die Haltbarkeit der Anlage beeinträchtigen. Zusätzlich muss eine Anmeldung bei der unteren Wasserbehörde erfolgen.

Wärme aus dem Erdreich – die Sole/Wasser- Wärmepumpe

Im Erdreich steckt Energie, die überwiegend durch Sonneneinstrahlung und Niederschläge zugeführt wird. Sie gilt neben dem Grundwasser als günstige Wärmequelle mit relativ hohem Temperaturniveau. Die Wärme kann entweder mit einer Erdsonde oder einem Flächenkollektor entzogen werden.

Die Erdsonde

Die vertikal verlegte Erdsonde reicht 30 bis 100m tief ins Erdreich. Abhängig von der Bodenart, den verschiedenen Gesteinsschichten und insbesondere der Bodenfeuchtigkeit können zwischen 40 und 120 W/m entzogen werden. Im Vorfeld muss ein geologisches Gutachten zu den örtlichen Bodenverhältnissen und damit der zu erwartenden Entzugsleistung eingeholt werden, um Tiefe und Anzahl der Erdsonden zu berechnen. Werden mehrere Sonden benötigt, muss ein Abstand von 6m eingehalten werden. Für die Bohrungen sollten Sie ein qualifiziertes Unternehmen beauftragen. Eine wasserrechtliche Genehmigung ist unbedingt erforderlich.

Der Flächenkollektor

In einer Tiefe von 1,2 bis 1,5m werden Kunststoffrohre in Abstand von 0,5 m horizontal verlegt. Dabei wird eine große Fläche benötigt, die unversiegelt und frei von größeren Pflanzen bleiben muss. Als Faustzahl gilt die 1,5 bis 2,5 fache Fläche des zu beheizenden Gebäudes. Die Entzugsleistung von Erdkollektoren liegt üblicherweise zwischen 10 und 25 Watt pro m². Ein stark feuchter Boden ist eine gute Quelle, während ein sandiger Boden weniger geeignet ist. Bei einer fehlerhaften Planung oder Ausführung besteht die Gefahr einer dauerhaften Vereisung des Bodens. Das gesamte Heizsystem würde nicht nicht funktionieren.

Wärme aus der Luft – die Luft/Wasser-Wärmepumpe

Die Nutzung der Außenluft als Wärmequelle hat mehrere Vorteile, aber auch Nachteile. Die Erschließung ist sehr einfach, da Bohrungen, wie bei der Nutzung von Grundwasser und Erdreich, entfallen. Somit liegen die Investitionskosten deutlich niedriger. Außerdem sind sie nicht genehmigungspflichtig.

Ein großer Nachteil liegt darin, dass die Außenlufttemperatur sehr niedrig ist, wenn der Heizwärmebedarf am höchsten ist. Nur bei Häusern mit einem sehr niedrigen Wärmebedarf und in Verbindung mit einer Lüftungsanlage, wie bei Passivhäusern, ist die Wärmequelle Außenluft trotzdem sinnvoll.

Ein weiterer Nachteil liegt in der geringeren Wärmekapazität von Luft im Vergleich zu Wasser oder Boden. Es müssen gewaltige Mengen Luft bewegt werden, um die nötige Wärmemenge zu entziehen. Das verursacht erhebliche Geräusche, die häufig als störend empfunden werden. Der Aufstellort der Ansaug- und Auslassrohre ist deshalb in der Planung mit zu berücksichtigen.

Heizen mit der Technologie von morgen

Wärmepumpen können sich hinsichtlich Leistung und Komfort mit anderen Heizsystemen messen. Bei einer guten Planung und Ausführung und unter Berücksichtigung des gesamten Heizungssystems können insbesondere Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpe sehr effizient arbeiten. Bei einer JAZ von 4 können Hausbesitzer so bis zu 75 % der Heizenergie einsparen. Allerdings ist auch Strom von dem Preisanstieg stark betroffen, auch wenn es spezielle Tarife für Wärmepumpen gibt.

Darüber hinaus wird die Anschaffung einer Wärmepumpe von der Opens external link in new windowBAFA gefördert. Dies gilt sowohl für Besitzer von Ein- und Zweifamilienhäusern, als auch für Mehrfamilienhäuser. Denn auch für Mehrfamilienhäuser können Wärmepumpen zum Einsatz gebracht werden.

Vor dem Einsatz einer Wärmepumpe sollte aber immer im Einzelfall geprüft werden, welches alternative Heizsystem für die örtlichen Gegebenheiten das sinnvollste und nachhaltigste ist. Hier finden Sie weitere Informationen über alternative Heiztechnik.

Klimabelastung von Wärmepumpen

Die Klimabelastung beim Betrieb von Wärmepumpen entsteht durch den zum Betrieb der Anlage verwendeten Strom. Sie wird als CO2-Äquivalent angegeben. Dieses beschreibt, wie stark eine bestimmte Menge eines Schadstoffs im Vergleich zu CO2 zum Treibhauseffekt beiträgt. Die Klimafreundlichkeit von Wärmepumpen liegt deutlich über der mit Strom oder fossil betriebener Heizungsanlagen, insgesamt nimmt die Technik in dieser Rubrik eine mittlere Stellung ein. Durch den Betrieb der Wärmepumpen mit regenerativ erzeugtem Strom lässt sich dieser Wert jedoch erheblich verbessern.