Wann und für wen lohnt sich eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein „umgekehrter“ Kühlschrank. Die Wärmepumpe entzieht Wärme aus der Luft, Erde oder dem Grundwasser. Dies gelingt durch den Einsatz eines speziellen Kältemittels auch bei kälteren Umgebungsbedingungen, da dieses bereits bei geringeren Temperaturen verdampft. Mit idealerweise, grünem Strom wird durch die Verdichtung des Dampfes diese „kalte“ Wärme auf ein derartig, hohes Niveau „gepumpt“, dass ein behagliches Heizen von Räumen möglich ist. Hierbei ist der Stromverbrauch bei idealen Einsatzbedingungen der Wärmepumpe gering, was die Heizkosten schont. Warum also Öl, Gas, Koks bei 1000°C verheizen, wenn wir Raumwärme bei 20°C benötigen, und dabei die natürliche Umgebung (Luft, Erde, Wasser) als Wärmequelle nutzen können? Das Prinzip der Wärmepumpe klingt doch vernünftig, oder? Wir sehen uns das genauer an.

Die „kalte“ Wärmequelle bzw. das „warme“ Zuhause sind eigene Kreislaufsysteme. Im obig, symbolisch dargestellten Bild sind diese nicht abgebildet.

Die Wärmepumpen werden nach der Art der Wärmequelle (vorangestellt) und der Art der Heizwärmeverteilung (nachgestellt) bezeichnet. Eine Luft/Wasser Wärmepumpe unterscheidet sich daher von einer Luft/Luft Wärmepumpe. Sie nutzen beide Luft als Wärmequelle, jedoch erfolgt die Heizwärmeverteilung unterschiedlich. Während die Luft/Wasser Wärmepumpe idealerweise mit einer Fußbodenheizung zur Anwendung kommt, wird die Luft/Luft Wärmepumpe z. Bsp. bei der kontrollierten Wohnraumlüftung zur Wärmerückgewinnung eingebaut. Auch innerhalb der Wärmequelle gibt es unterschiedliche Umsetzungen. Die Erdwärme kann über Flächenkollektoren oder Tiefenbohrungen angezapft werden. Dabei wird ein Sole-Kreislauf installiert. Jetzt ist es aber genug und wir wollen die Fakten wissen:

Hat man die Arbeitsweise einer Wärmepumpe erst einmal verstanden, dann ist auch klar unter welchen Voraussetzungen eine Wärmepumpe überhaupt in Frage kommt.

Wie effizient und damit stromsparend eine Wärmepumpe aber sein kann, hängt vorwiegend vom Temperaturunterschied der eingesetzten Wärmequelle zum Wärmeverbraucher ab, also zumeist von der:

• Vorlauftemperatur der Heizung (Fußboden, Heizkörper etc.) und der
• Temperatur der Luft, Erde, od. des Grundwassers 

Eine Wärmepumpe ist nicht sinnvoll, wenn sie fernab vernünftiger Rahmenbedingungen betrieben wird. Lassen sich Vorlauftemperaturen unter ca. 50°C (durch z. Bsp. Fußbodenheizung, Niedertemperaturheizkörper) realisieren kommt eine Wärmepumpe überhaupt in Frage. Was bei einem Neubauprojekt kein Problem darstellt, entpuppt sich oft bei einer Altbausanierung als Stolperfalle. Da hohe Vorlauftemperaturen zumeist einen großen Temperaturunterschied zur Wärmequelle bedeuten und daher zu einem signifikanten Stromverbrauch führen, ist es daher auch kein Zufall, dass hier verschiedene Fördergeber ein Grenze bei Altbausanierung festsetzen. D. h., dass z. Bsp. in Österreich eine max. Vorlauftemperatur (<40°C) in den meisten Förderungen ein Kriterium für einen Anspruch ist.

Andererseits ist der Aufstellungsort bzw. auch die zur Verfügung stehende Wärmequelle von Bedeutung. Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe ist z. Bsp. in Österreich oder Deutschland vertretbar, in der Arktis wird aufgrund der kalten Außenlufttemperatur und des hohen Temperaturunterschieds zum Vorlauf kein sinnvoller Betrieb ohne hohen Stromverbrauch möglich sein. Die Luft/Wasser Wärmepumpe erfreut sich besonderer Beliebtheit beim Neubau, unerheblich ob es sich dabei um ein Block- oder Fertighaus, ein Massivhaus, oder einem Fertighaus handelt. Die Erde oder das Grundwasser sind aber gerade in der Heizsaison im Winter wärmere Quellen als Luft, weshalb diese einen geringen Stromverbrauch aufweisen. Es gibt zum Vergleich von den Heizkosten eine Fülle von Online-Heizkostenvergleichsrechner im Netz. Eine gute Übersicht über die Kosten der verschiedenen Wärmepumpensysteme findet man auf dem Ratgeber von Cleverello. Hier kann auch eine Einschätzung des Hauses bezüglich der benötigten Heizlast bzw. Heizwärmebedarfs vorgenommen werden.

Zur Bewertung der Effizienz bei bestimmten Bedingungen bzw. auch über die jahreszeitlichen Änderungen der Wärmequelle geben folgende Kennzahlen Aufschluss:

• COP – Coefficient of Performance (Leistungszahl): Die Leistungszahl gibt das Verhältnis der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmeleistung zur aufgenommen elektrischen Antriebsleistung für einen Betriebspunkt (Wärmequellen- und Vorlauftemperatur) an. Der COP bezieht sich dabei nur auf die Wärmepumpe, nicht aber auf das gesamte Heizungssystem. Z. Bsp. bedeutet ein COP = 4 für einen bestimmte Wärmequellen- und Vorlauftemperatur): bereitgestellte Heizleistung 12 kW bei elektr. Leistung 3 kW. Der COP kann am Prüfstand vor Auslieferung gemessen werden. 

• JAZ – Jahresarbeitszahl: berücksichtigt z. Bsp. die saisonalen Schwankungen der Wärmequelle wie auch die Bedingungen des Heizungssystems. Z. Bsp. bedeutet JAZ = 4: bereitgestellte Heizwärme 12kWh, dabei 3 kWh durch Strom und 9 kWh durch Umweltwärme. Die JAZ kann vorab nur theoretisch berechnet werden. Eine Messung des JAZ kann nach Installation erfolgen. 

Ein Wärmepumpen-Heizsystem umfasst zumeist:

• Wärmepumpen-Einheit
• Trinkwasserspeicher
• Pufferspeicher
• Equipment zur Erschließung der Wärmequelle
• Heizverteilungssystem (Fußbodenheizung, etc.) 

Ein Puffer wird oftmals aus folgenden Gründen ins System einbezogen:

• Einbinden weiterer Wärmeerzeuger möglich
• Trennung Verbraucherkreis von Erzeugerkreis wegen untersch. Durchflüsse
• Vermeidung von häufigen Takten bei Heizkörpern mit geringem Wärmespeichervolumen
• Überwinden von Energieversorger-Sperrzeiten
• Enteisung/Abtauung des Außenluftwärmetauschers bei Luft/Wasser Wärmepumpen mit Außeneinheit. 

Sind aber große Heizflächen vorhanden, wie z. Bsp. eine flächendeckende Fußbodenheizung, so kann auf den Pufferspeicher u. U. verzichtet werden.

Aus dem Trinkwasserspeicher erfolgt die Versorgung fürs Duschen oder das Baden. Ist die Wärmequelle das Erdreich, so benötigt es Bohrungen oder Kollektoren. Es kann aber auch das Grundwasser als Wärmequelle dienen. Hier sind jedenfalls Bohrungen erforderlich.

Luft-Wasser Wärmepumpen werden zumeist monoenergetisch ausgelegt, d. h. hier wird durch einen zusätzlichen elektr. Heizstab die Wärmepumpe zur Bereitstellung des Gebäudeheizleistungsbedarfs unterstützt. Diese Heiz-Unterstützung ist aber nur in wenigen Tagen im Jahr bei sehr niedrigen Temperaturen erforderlich. Warum einen Heizstab zusätzlich einbauen? Dies erfolgt deshalb, da sonst aufgrund NUR weniger kalter Tage im Jahr, die Wärmepumpe mit der „gesamten, d. h. einer sehr großen Heizleistung“ ausgelegt werden muss, was zumeist nicht wirtschaftlich ist. Durch den benötigten Heizstab, bekommt man aber schnell den richtigen Eindruck, dass die Luft als Wärmequelle in unseren Breiten nicht die bevorzugte Wärmequelle sein sollte.

Grundwasser- oder Erdwärmepumpen können monovalent betrieben werden, d. h. es benötigt hier keine zusätzliche Unterstützung durch einen elektr. Heizstab. Diese Wärmequellen liefern beinahe über das ganze Jahr hinweg konstante Bedingungen und sind aufgrund ihres höheren Temperaturniveaus effizienter.

Selbstverständlich kann jede Wärmepumpe zusätzlich neben anderen Wärmeerzeugern auch betrieben werden (bivalente Betriebsweise).

Zusammenfassend kann gesagt werden, Grundwasser- und Erdreichpumpen sind zwar teurer, aber stromsparender als Luft-Wasser Wärmepumpen.

Neben den klassisch angesprochenen Wärmepumpen im Beitrag, gibt es bei Erdwärme als Wärmequelle auch noch Direktverdampfer Wärmepumpen. Diese können mit z. Bsp. CO2 betrieben werden und kommen also ohne Kältemittel aus. Diese Wärmepumpen arbeiten besonders effizient, da hier im Erdreich-Kreislauf keine Pumpe erforderlich ist.

Verantwortlich für diesen Artikel ist Dipl.- Ing. Martin Knoglinger studierte Maschinenbau an der TU Wien und hat über viele Jahre in der Verfahrens- und Anlagentechnik, unter anderem auch bei Firmen für die techn. Gebäudeausstattung, gearbeitet.

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