Nach einem kurzen Boom in den siebziger Jahren erlebt die Wärmepumpe
seit einiger Zeit wieder eine Renaissance und wird sowohl von
Installateuren als auch von vielen Stromversorgern eifrig
propagiert. Geworben wird dabei mit deutlich niedrigeren
Heizkosten als bei den konventionellen mit Heizöl oder Erdgas
betriebenen Heizungsanlagen und klimafreundlicher
CO2-Einsparung.
Aktuelle Praxistests zeigen, dass positive wirtschaftliche
Ergebnisse und eine vertretbare Emissionsbilanz im realen
Betrieb häufig nicht erreicht werden. Die hierfür
erforderliche Jahresarbeitszahl von
mindestens 3,3 ist meist nur bei Nutzung von Erdwärme oder
Grundwasser in Verbindung mit einer Niedertemperaturheizung in
einem gut gedämmten Haus erreichbar. Ob sich die deutlich höheren
Investitionskosten einer Wärmepumpe wirklich lohnen, hängt von
vielen Faktoren ab und kann nur im Einzelfall ermittelt werden.
Vorsicht ist bei allzu optimistischen Versprechungen bezüglich
der Jahresarbeitszahl und der Einsparung von Heizkosten geboten.
Wir empfehlen eine unabhängige und qualifizierte Beratung.
Hier finden Sie Informationen über die
- Funktionsweise von Wärmepumpen Wärmequellen
- Wärme aus dem Grundwasser
- Wärme aus dem Erdreich
- Wärme aus der Luft
- Wichtige Kenngrößen und Definitionen
- Betriebsweisen von Wärmepumpen
- Finanzieller Aufwand
- Betriebskosten von Wärmepumpen
- Verträge, Vorschriften und Genehmigungen von Wärmepumpen
- Öko-Bilanz von Wärmepumpen
Funktionsweise von Wärmepumpen
Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank - nur mit umgekehrter Zielrichtung: Beim Kühlschrank wird dem Kühlraum und den Lebensmitteln Wärme entzogen und auf die Geräterückseite transportiert. Bei der Wärmepumpe wird die Außenluft, das Erdreich oder das Grundwasser abgekühlt und die dabei gewonnene Wärme an das Heizungswasser und das Warmwassersystem abgegeben. Dazu muss die Wärme auf ein höheres Temperaturniveau "gepumpt" werden. Hier interessiert also nicht die Kälte-, sondern die Wärmeleistung. Da die Wärme nicht von selbst von der kalten zur warmen Seite wandert, muss zum Antrieb Strom oder Gas eingesetzt werden.Wärmequellen
Als Wärmequellen für Wärmepumpen kommen in Betracht: Grundwasser, Erdreich, Außenluft, Solar-Kollektoren, Abwässer oder Abluft aus einer Lüftungsanlage.| Luft | ||
| Erdreich (Kollektor oder Sonde) | ||
| Grundwasser |
Wärme aus dem Grundwasser
Grundwasser ist die günstigste Wärmequelle, da es ab einer Tiefe von 10 Meter ganzjährig eine Temperatur von etwa 10 °C hat. Doch Grundwasser ist nicht überall in ausreichender Qualität und Menge verfügbar. Wasserqualität und Ergiebigkeit der Brunnen müssen untersucht werden. Informationen kann möglicherweise die zuständige Wasserbehörde oder auch der Stromversorger liefern. Außerdem ist vor Baubeginn eine Anmeldung bei der unteren Wasserbehörde erforderlich.Für den Betrieb der Wärmepumpen werden zwei Brunnen gebraucht – ein Förderbrunnen und ein Schluckbrunnen. Das Wasser wird dem Förderbrunnen mit einer Förderpumpe (Tauchpumpe) entnommen, in der Wärmepumpe um etwa 3 bis 4 °C abgekühlt und dann dem Schluckbrunnen zugeführt. Die Wasserbehörden machen meist zur Bedingung, dass das Grundwasser in dieselbe Tiefe zurückgepumpt werden muss, aus der es geholt wurde, so dass beide Brunnen dieselbe Tiefe haben müssen. Der Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen sollte mindestens 10 Meter betragen. Der Schluckbrunnen muss in Fließrichtung des Wassers gesehen immer hinter dem Förderbrunnen liegen, daher ist die Kenntnis der Fließrichtung wichtig. Der Abstand zum Grundwasserspiegel sollte nicht mehr als 15 Meter betragen, weil die Pumpe ansonsten eine hohe Förderleistung bringen muss, wodurch sich der Stromverbrauch deutlich erhöht. Ebenso ist der Durchmesser der Bohrungen entscheidend.
Der Wärmetauscher (Verdampfer) der Wärmepumpe sollte aus Edelstahl bestehen. Vor allem bei eisenhaltigem Wasser( Lassen Sie Ihr Wasser analysieren)ist es sehr wichtig, dass auf dem Weg vom Förderbrunnen zum Schluckbrunnen kein Sauerstoff ins Wasser gelangt. Andernfalls besteht die Gefahr, dass Eisen oxidiert und der entstehende Eisenschlamm Wärmetauscher und Schluckbrunnen verstopft.
Wärme aus dem Erdreich
Kann oder darf das Grundwasser nicht genutzt werden, bietet sich das Erdreich als zweitbeste Wärmequelle an. Die Wärme wird entweder oberflächennah mittels Flächenkollektor oder in tieferen Schichten mittels Erdsonde aufgenommen. Beide Systeme müssen vor Baubeginn bei der unteren Wasserbehörde angemeldet werden.- Flächenkollektor Zur Nutzung der Erdwärme werden Kunststoffrohre ins Erdreich verlegt, durch die ein Gemisch aus Frostschutzmittel und Wasser fließt. Diese Sole wird im Verdampfer der Wärmepumpen unter die Temperatur des umgebenden Erdreichs abgekühlt, so dass die Sole Wärme aus dem Erdreich aufnehmen kann. Vorteil dieses Verfahrens: Es ist fast überall ohne Risiko anwendbar. Allerdings ist das System weniger effizient, da es zwei Wärmeübergänge gibt - nämlich vom Erdreich auf die Sole, und von der Sole auf das Kältemittel. Die Temperatur der Sole liegt im Winterhalbjahr etwa zwischen 10 und -8 °C, ist also deutlich kälter als das Grundwasser in 10 Meter Tiefe. Um trotzdem eine gute Effizienz zu erreichen, ist eine Flächenheizung praktisch unabdingbar, etwa in Form einer Fußboden- oder Wandheizung. Da die Sole zähflüssiger ist als Wasser, darf der Stromverbrauch der Soleumwälzpumpe bei der Berechnung der Leistungs- und Jahresarbeitszahl nicht vernachlässigt werden. Flächenkollektoren können bei wassergesättigtem Boden zwischen 35 und 40 Watt pro Quadratmeter entziehen, bei feuchtem und lehmigem Boden zwischen 25 und 30 W und bei trockenem und sandigem Boden zwischen 10 und 15 W pro Quadratmeter. Bei horizontaler Verlegung der Kunststoffrohre in 120 bis 150 Zentimeter Tiefe muss die Fläche des Erdreiches etwa 1,5- bis 2,5-mal so groß sein wie die Wohnfläche, um das Haus ausschließlich über die Wärmepumpe beheizen zu können. Sie kann umso kleiner sein, je besser das Haus gedämmt ist. Und: Je feuchter der Boden, desto besser die Wärmeübertragung. Der erforderliche Mindestabstand der Rohre beträgt 0,5 Meter.
- Erdsonden Die vertikale Verlegung, bei der senkrechte Erdsonden 30 bis 100 Meter tief in den Boden gebracht werden, benötigt erheblich weniger Fläche. Unter optimalen Bedingungen können aus der Erde je laufendem Meter Rohr etwa 80 bis 120 W gewonnen werden. In der Praxis lassen sich jedoch häufig lediglich 40 bis 60 W erreichen. Insbesondere bei trockenem Untergrund besteht die Gefahr, dass das Bohrloch dauerhaft auskühlt. Allerdings können mittels einer 100 Meter tiefen trockenen Bohrung der Erde etwa 5 kW Wärme dauerhaft entzogen werden. Falls das nicht ausreicht, müssen mehrere Bohrungen mit einigen Metern Abstand eingebracht werden.
Wärme aus der Luft
Luft kann überall als Wärmequelle genutzt werden. Nachteil: Der Wärmegehalt der Luft ist etwa 3.500-mal kleiner als derjenige von Wasser, so dass große Mengen Luft umgewälzt werden müssen. Außerdem können die Lüftergeräusche stören (Achtung: Nachbarschaft!). Der größte Nachteil ist jedoch, dass die Lufttemperatur und damit auch die Heizleistung der Wärmepumpe ausgerechnet dann am niedrigsten ist, wenn besonders viel Wärme fürs Haus gebraucht wird - nämlich in der kalten Jahreszeit.Bei Außentemperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt bildet sich am Verdampfer-Wärmeaustauscher Eis, das regelmäßig durch Wärmezufuhr entfernt werden muss.
Um die Wärmeversorgung auch bei tiefen Außentemperaturen sicher zu stellen, wird zusätzlich zur Luft/Wasser-Wärmepumpe (L/W-WP) ein zweites Heizsystem benötigt (bivalenter Einsatz der WP), zum Beispiel ein vorhandener Heizkessel. Häufig wird anstelle eines Gas- oder Ölkessels lediglich ein Elektroheizstab in das Heizungssystem eingebaut (bivalent-monoenergetische Betriebsweise), der sich bei tiefen Außentemperaturen parallel oder alternativ zur Wärmepumpe einschaltet. In diesem Fall wird lediglich ein Drittel der im Kraftwerk eingesetzten Primärenergie in Nutzwärme umgewandelt. Außerdem wird der Stromverbrauch des Heizstabes zum normalen Haushaltstarif abgerechnet. Der Heizstab sollte deshalb so wenig wie möglich zum Einsatz kommen. Dies setzt voraus, dass das Gebäude sehr gut gedämmt ist und mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen beheizt werden kann.
Wichtige Kenngrößen und Definitionen
- Leistungszahl ε (auch COP: Coefficient of performance) Sie beschreibt das Verhältnis der an das Heiznetz abgegebenen Heizleistung in Kilowatt (kW) zur aufgenommenen elektrischen Leistung der Wärmepumpe in kW. Diese Zahl wird unter definierten Bedingungen (z.B. 10 Grad Eintrittstemperatur, 35 Grad Austrittstemperatur) auf dem Prüfstand gemessen. Damit lassen sich verschiedene Wärmepumpenaggregate vergleichen. Die Leistungszahl sollte deutlich über 4 liegen.
- Jahresarbeitszahl (JAZ) β: Diese Zahl ist wichtiger als die Leistungszahl, weil sie Auskunft über den Strombedarf der Gesamtanlage gibt, wird aber nicht selten mit dieser verwechselt. Sie beschreibt das Verhältnis der über ein Jahr ins Heiznetz und ggf. ins Warmwassersystem abgegebenen Wäremeenergie zu der im gleichen Zeitraum dafür verbrauchten elektrischen Energie. Wichtig ist dabei, dass alle Stromverbraucher der Anlage also auch Sole- oder Brunnenpumpen, sonstige Pumpen und der elektrische Heizstab erfasst werden. Wenn eine JAZ genannt wird, sollte man also immer fragen, welche Geräte dabei einbezogen sind. Für einen wirtschaftlichen und ökologisch sinnvollen Betrieb sollte die JAZ größer als 3,3 sein.
Anzustreben sind folgende garantierte Jahresarbeitszahlen:
Betriebsweisen von Wärmepumpen
- Monovalent: Die Wärmepumpenanlage ist der alleinige Wärmeerzeuger und muss den gesamten Bedarf für Heizung und ggf. Warmwasser decken.
- Bivalent: Neben der Wärmepumpenanlage gibt es einen oder mehrere zusätzliche Wärmeerzeuger.
- Monoenergetisch: Der zusätzliche Wärmeerzeuger ist ein elektrischer Heizstab, so dass Strom der einzige Energieträger ist.
Verträge, Vorschriften und Genehmigungen von Wärmepumpen
Die Inbetriebnahme einer Wärmepumpenanlage ist beim Stromversorger zu beantragen. Es wird ein Wärmpumpensondervertrag abgeschlossen, in dem häufig ein Preis für die Schwachlastzeit nachts und ein Preis für den Tag vereinbart werden. Ein zweiter Stromzähler wird daher eingebaut. Außerdem behalten sich die Versorger in der Regel vor, die Stromversorgung der Wärmepumpe für maximal 3 mal 2 Stunden innerhalb von 24 Stunden zu unterbrechen. Dies muss bei der Dimensionierung berücksichtigt werden und kann durch den Einbau eines Pufferspeichers oder durch die Speicherfähigkeit einer Fußbodenheizung aufgefangen werden.Bei Boden und Grundwasser als Wärmequellen sind das Wasserhaushaltsgesetz und die zugehörigen Vorschriften der Länder zu berücksichtigen. Für die Nutzung von Grundwasser und Erdwärme ist vor Baubeginn bei der unteren Wasserbehörde anzumelden. Luftwärmepumpen sind genehmigungsfrei.
Finanzieller Aufwand
Investitionskosten inklusive Einbau und sonstiger Nebenkosten
Luft-Wasser-Wärmepumpe: ca. 12.000 bis 15.000 Euro (abhängig von Leistung und Warmwasserbereitung).
Sole-Wasser-Wärmepumpen:
- Wärmepumpenaggregat: ca. 9.000 bis 13.000 Euro (abhängig von Leistung und Warmwasserbereitung)
- Erdkollektor: ca. 400 bis 600 Euro pro kW
- Erdsonde: ca. 600 bis 1.200 Euro pro kW (ca. 50 - 80 Euro pro Meter Bohrtiefe)
Wasser-Wasser-Wärmepumpen:
- Wärmepumpenaggregat: ca. 9.000 bis 13.000 Euro (abhängig von Leistung und Warmwasserbereitung)
- Brunnen: ca. 50 bis 80 Euro pro Meter Bohrtiefe (typische kleine Brunnenanlage ca. 5.000 Euro)
Betriebskosten von Wärmepumpen
Der Wärmepumpenstrom kostet ca. 12 bis 15 Cent pro kWh bei Sondertarif. Bei Neubauten liegen die Betriebskosten in der Summe um den Faktor 2 bis 2,5 niedriger als bei konventionellen Heizungsanlagen, die mit Heizöl oder Erdgas betrieben werden. Ob eine Wärmepumpenanlage insgesamt wirtschaftlicher ist als eine Öl- oder Gasheizung, hängt von vielen Faktoren ab. Eine genaue Dimensionierung und die Effizienz der Anlage sind dabei die wichtigsten Faktoren. Außerdem spielt die künftige Preisentwicklung bei den Energieträgern eine Rolle.Öko-Bilanz von Wärmepumpen
Häufig wird die Wärmepumpe zu den Anlagen gezählt, die erneuerbare Energien nutzen. Begründet wird dies damit, dass mit 1 kWh Strom 3 kWh Umweltwärme gewonnen werden. Berücksichtigt man jedoch die hohen Verluste bei der Stromerzeugung, die auch noch hauptsächlich auf Kohle- und Atomkraftwerken beruht, sieht die Bilanz nicht mehr ganz so gut aus. Das Ergebnis im Einzelnen steht und fällt mit der realisierten Jahresarbeitszahl sowie dem jeweiligen Strommix des örtlichen Versorgers, den man den Angaben auf der Stromrechnung entnehmen kann. Allerdings verbessert sich die Umweltbilanz der bestehenden Anlagen, je mehr erneuerbare Energien (z.Zt. etwa 15 %) im Strommix enthalten sind.Checkliste
Neubau
- Monovalente Betriebsweise anstreben
- Möglichkeiten für Grundwasser und Erdwärmenutzung prüfen; Kosten vergleichen
- Sehr gute Wärmedämmung vorsehen
- Flächenheizung mit max. 35 °C Vorlauftemperatur bevorzugen
Modernisierung
- Der Heizwärmebedarf nach Modernisierung sollte unter 70 kWh/m2/Jahr liegen.
- Die Vorlauftemperatur sollte auch bei tiefen Außentemperaturen 50 °C nicht übersteigen. Können die Heizflächen/Heizkörper entsprechend angepasst werden?
Alle Anlagen
- Mit dem Stromversorger ist ein Sondervertrag abzuschließen. Dabei sind mögliche Sperrzeiten zu beachten.
- Neben dem Warmwasserspeicher sollte auch ein Pufferspeicher für die Heizung eingebaut werden.
- Zu jeder Wärmepumpenanlage gehört neben dem separaten Stromzähler auch ein Wärmezähler, um die Jahresarbeitszahl ermitteln zu können. Der Stromverbrauch sämtlicher dazu gehörigen Anlagenteile ist zu erfassen.
- Für einen effizienten Betrieb muss ein hydraulischer Abgleich des Heizsystems durchgeführt werden.
- Das Trinkwasser sollte mit derselben Wärmepumpe erwärmt werden.
- Die Investitionskosten hängen ganz wesentlich von der Erschließung der Wärmequelle sowie von der Kälte- und Wärmeleistung ab. Anders als bei der Öl- oder Gasheizung sind die Kosten bei der Wärmepumpe stark leistungsabhängig. Wenn die Wärmepumpe im Sommer auch zur Kühlung genutzt werden soll, bei der Planung beachten.
Wegen der Komplexität der Anlage empfiehlt sich vor Anschaffung und Montage eine qualifizierte Beratung.