Wärmepumpe

Wärmepumpen sind Maschinen, die aus Luft, Wasser oder Erdreich Wärme aufnehmen und auf eine höhere Temperatur bringen.

Ganz gleich, welche Wärmequelle benutzt wird (Luft, Wasser oder Erdreich), Heizungswärmepumpen können aus der Umwelt jederzeit gespeicherte Sonnenenergie zur Erwärmung eines Gebäudes gewinnen - selbstverständlich auch und gerade dann, wenn es besonders darauf ankommt: im Winter:
Erstaunlich, aber wahr: Selbst bei tiefsten Minusgeraden kann aus einem Medium durch Einsatz entsprechender Technik noch Wärme gewonnen werden.

Diese zukunftsorientierte Wärme- und Heiztechnik beruht auf einem sehr einfachen Prinzip, das in umgekehrter Form bereits seit langem in Kühlschränken Anwendung findet. Die Wärmepumpe entzieht der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser die darin gespeicherte Wärme. Dabei stellt das Heizsystem zwei bis drei mal so viel Energie zur Verfügung, als für den elektrischen Betrieb der Pumpe benötigt wird.

Bei einer elektrischen Kompressionswärmepumpe wird mit einer relativ kleinen Menge an Strom das Temperaturniveau einer relativ großen Menge von Umweltwärme angehoben, so dass es für die Gebäudeheizung nutzbar ist. Wie viel an elektrischer Energie dazu gebraucht wird, ist davon abhängig, wie hoch der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der benötigten Vorlauftemperatur ist. Die Grafik auf der nächsten Seite macht den Zusammenhang deutlich. Der Wirkungsgrad sinkt stark mit ansteigendem Temperaturunterschied. Aus dieser Tatsache ergeben sich eine Reihe von Konsequenzen:

- Als Wärmequelle eignen sich am ehesten Medien, die sich im Winter nicht oder nur sehr langsam auskühlen. Grundwasser, Erdreich oder die Abluft sind besser geeignet als Außenluft.

- Auf welcher Temperatur die Wärmepumpe arbeiten muss, hängt auch vom Wärmeschutzstandard des Gebäudes und der Größe der Heizflächen ab. Bei einem Niedrigenergiehaus mit Fußbodenheizung liegt die Systemtemperatur (ca. 30° C) kaum über der Raumtemperatur, während ein Altbau mit kleinen Heizkörpern an kalten Tagen über 70° C Vorlauftemperatur benötigt.

Deshalb erreicht eine Wärmepumpe im Neubau oder in modernisierten Gebäuden eine deutlich höhere Effizienz als im unsanierten Altbau.

Die Frage, in welchem Umfang Wärmepumpen zur Einsparung von Energie und Treibhausgasemissionen beitragen, hängt auch sehr stark davon ab, woher der verwendete elektrische Strom stammt. Während in unserem heutigen Kraftwerkspark noch weitgehend mit fossilen Brennstoffen befeuerte Kraftwerke eingesetzt werden, häufig auch ältere Anlagen mit geringer Effizienz, ergibt sich zukünftig bei erfolgreichem Umbau unserer Energieversorgung ein steigender Anteil effizienterer Kraftwerke (auch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen) und vor allem erneuerbarer Energien. Angesichts der begrenzten Potenziale und der erhöhten Kosten vieler regenerativer Energiequellen sind die gleichzeitige Energieeinsparung und der effiziente Energieeinsatz weiterhin eine notwendige Voraussetzung für das Gelingen dieses Umbaus. Auch die eigene Photovoltaikanlage kann heute schon — insbesondere in Kombination mit einem Wärmespeicher und bei entsprechender Regelungstechnik — Solarstrom für die Wärmepumpe beisteuern. Dies gelingt allerdings nur in begrenztem Umfang, denn im Winter, wenn die meiste Wärme benötigt wird, macht die Photovoltaikanlage weitgehend Pause.

Eine hohe Effizienz der Wärmepumpenanlage ist daher in jedem Fall anzustreben. Die Kenngröße hierfür ist das Verhältnis der über das Jahr eingesetzten elektrischen Energie zur produzierten Wärmemenge, das auch als Jahresarbeitszahl bezeichnet wird. Mit Erdreichwärmepumpen sollten sich Werte von mindestens etwa 3,5 erzielen lassen. Wichtig ist, dass die angestrebte Effizienz nicht nur in der Berechnung, sondern auch im tatsächlichen Betrieb erreicht wird. Wärmepumpen reagieren empfindlicher als andere Systeme auf Fehler bei der Installation oder falsche Einstellwerte. Zur Kontrolle der Effizienz sollten daher ein separater Stromzähler und ein Wärmemengenzähler installiert werden.

Ob die Warmwasserbereitung von der Wärmepumpe mit übernommen wird, und ob für extrem kalte Tage noch ein zweites Heizsystem (bivalenter Betrieb) vorgesehen wird, muss anhand des Einzelfalls genau überlegt werden. Etwa die Hälfte der installierten Wärmepumpen wird mit einem Speicher kombiniert. Dadurch können spezielle günstige Stromlieferverträge mit den Energieversorgern abgeschlossen werden, bei denen zeitlich befristete Abschaltungen erfolgen können.

Was auch beim Einsatz von Wärmepumpen bedacht werden sollte, ist die Geräuschentwicklung. Je größer das Aggregat (die Leistung) desto mehr Vibrationen gehen von ihm aus. Deshalb ist eine aus der Sicht der Energieeinsparung (Nutzung der Verluste im Wohnraum) erwünschte Aufstellung im beheizten Bereich nicht immer sinnvoll. Wird sie vorgesehen, dann müssen die Verankerung des Gerätes und alle Rohranschlüsse elastisch und schwingungsdämpfend ausgeführt werden.

Bei der Bohrung von Erdwärmesonden sind auch die grundwasserrechtlichen Bestimmungen zu beachten.

Sonderfall Passivhaus

Das so genannte Kompaktaggregat, welches eine mögliche Versorgungsvariante in einem Passivhaus darstellt, besteht aus der Kombination von einem Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung und einer kleinen Wärmepumpe, die als Quelle die Fortluft des Lüftungsgerätes nutzt. Dieses Konzept funktioniert nur in Gebäuden, die speziell auf diese Art der Wärmeversorgung ausgelegt sind, denn die in der Abluft enthaltene Wärmemenge ist begrenzt. Damit in der kalten Jahreszeit der Plattenwärmetauscher des Lüftungsgerätes und das Register der Wärmepumpe nicht zu häufig vereisen — was entweder den Betrieb einer elektrischen Luftvorwärmung oder Abtauzyklen der Wämepumpen erforderlich macht — kann die angesaugte Außenluft durch einen Erdreichwärmetauscher vorgewärmt werden (Näheres dazu in der Energiesparinformation Nr. 9 „Kontrollierte Wohnungslüftung“). Bei Abtauzyklen werden die „warme“ und die „kalte Seite“ kurzzeitig vertauscht, was den Gesamtwirkungsgrad natürlich mindert.

Gaswärmepumpe

In der Gaswärmepumpe wird das Arbeitsmedium zunächst durch die Zufuhr von Wärme verdampft. Bei der anschließenden Kondensation entzieht es dann einem Wärmetauscher zusätzlich Energie. Beim dem derzeit von der Firma Vaillant vertriebenen Konzept dient der Kollektor einer Solaranlage dabei als Wärmequelle. Scheint keine Sonne, wird die umgebende Luft abgekühlt. Das Konzept hat den Charme, dass es fast geräuschlos arbeitet und ohne Erdsonde auskommt. Allerdings addieren sich zu den Anlagenkosten für Wärmepumpe, Speicher und Vakuum-Solarkollktor noch die Gebühren für den Gasanschluss.

Funktionsweisen

In einer Wärmepumpe befindet sich ein geschlossenes Rohrsystem, in dem ein unbedenkliches Medium zirkuliert das verdampft, verdichtet, verflüssigt und enstpannt wird. Während dieser Zustandsveränderung wird Wärme entzogen und an das Heizsystem abgegeben. Ein elektrischer Motor treibt den Verdichter an und hält den Prozess in Gang.

Gasbetriebene Pumpen spielen im privaten Wohnungsbau bisher eine geringere Rolle. Elektrische Wärmepumpen sind in den letzten Jahren verbessert worden und können in gut wärmegedämmten Gebäuden eine Alternative sein.

Damit eine Wärmepumpe wirtschaftlich arbeiten kann, müssen zwei grundsätzliche Forderungen erfüllt sein: Es sollte ein möglichst hohes Temperaturniveau der Wärmequelle vorliegen und dieses Temperaturniveau muss nach Möglichkeit immer dann zur Verfügung stehen, wenn Wärme benötigt wird.

Wichtig für die Beurteilung der Umweltverträglichkeit einer Wärmepumpe ist die Betrachtung des Gesamtsystems zur Bereitstellung von Energie. Daher ist es ratsam, vor dem Kauf einer solchen Anlage mit einem Fachmann zu sprechen. Ein wirtschaftlicher und vor allem umweltfreundlicher Betrieb ist in der Regel bis zu einer Heizwasser-Vorlauftemperatur von max. 50 °C möglich. Deshalb ist der Einsatz vorwiegend für Niedertemperatur-Heizsysteme zu empfehlen (Vorlauftemperatur von 35 - 50 °C).
Die Nutzung einer Wärmepumpenanlage setzt zumeist die Entscheidung für eine Fußbodenheizung oder ein Wandheizsystem voraus, die sich für niedere Heizwassertemperaturen eignen. Aufgrund der Auslegung der Wärmeverteilung eignen sich Wärmepumpen in erster Linie für Neubauten.
Bei guter nachträglicher Dämmung und entsprechend groß ausgelegten Heizkörpern können aber auch Altbauten mit Wärmepumpen ausgerüstet werden.

Neues Förderprogramm zur Heizungsoptimierung

Seit dem 1. August 2016 bezuschusst das Bundeswirtschaftsministerium mit der „Förderung der Heizungsoptimierung durch hocheffiziente Pumpen und hydraulischen Abgleich“ den Einbau effizienter Pumpen und die Optimierung der Heizungsanlage. Bis zum Jahr 2020 soll jährlich der Austausch von bis zu 2 Millionen hocheffizienten Pumpen in Gebäuden und die zusätzliche Optimierung des Betriebs von bis zu 200.000 Heizungsanlagen gefördert werden. Bezuschusst wird der Austausch von Umwälz- und Warmwasserzirkulationspumpen durch hocheffiziente Pumpen in bestehenden Heizungssystemen sowie der hydraulische Abgleich der Wassermengen in den Heizkörpern einer Anlage. Eine Produktliste aller förderfähigen Pumpen findet sich unter www.bafa.de. Beide Maßnahmen können einzeln oder gemeinsam ausgeführt werden. Zusätzlich werden die Installation von Einzelraumtemperaturreglern und voreinstellbaren Thermostatventilen gefördert.

„Hausbesitzer profitieren von staatlichen Fördergeldern in Höhe von bis zu 30 Prozent der förderfähigen Ausgaben. Kostet der hydraulische Abgleich 700 Euro, werden 210 Euro erstattet. Dabei ist zu beachten, dass die Fördersumme anhand des Netto-Rechnungsbetrags berechnet wird – also ohne Mehrwertsteuer. Das entspricht 25 Prozent auf den Rechnungsbetrag inklusive Mehrwertsteuer, da Privatpersonen nicht vorsteuerabzugsberechtigt sind. Der förderfähige Maximalbetrag beträgt pro Gebäude 25.000 Euro, diese Grenze wird im Bereich Ein- oder Zweifamilienhaus bei weitem nicht erreicht“, so HESA-Programmleiter Werner Eicke-Hennig.

Die Antragstellung erfolgt auf einem Formular der BAFA unter www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/P-R/richtlinie-ueber-die-foerderung-der-heizungsoptimierung. Anträge können von Privatpersonen, durch Unternehmen, freiberuflich Tätige, Kommunen und andere gestellt werden. Die Registrierung erfolgt vor der Bestellung der Pumpe oder Handwerkerbeauftragung. Nach der Bestätigung mit persönlicher Vorgangsnummer kann der Fachhandwerker loslegen. Die Fachbetriebssuche ist unter www.shk-hessen.de möglich. Eine separate Rechnung ist für die Maßnahme erforderlich. Alle Nachweise sind innerhalb von 6 Monaten nach Registrierung einzureichen. Einzelheiten können der neuen Richtlinie „Förderung der Heizungsoptimierung durch hocheffiziente Pumpen und hydraulischen Abgleich“ entnommen werden, die auf den Seiten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/P-R/richtlinie-ueber-die-foerderung-der-heizungsoptimierung eingestellt ist.

Quelle: Monatsmagazin printzip, Ausgabe September 2016