Wärmepumpenheizung

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Wärmepumpenheizung

Eine Wärmepumpenheizung entzieht der Umwelt (umgebende Luft, Grund-/Oberflächenwasser oder Erdreich) Wärme und hebt sie mittels einer Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau an, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können. Unterschieden werden elektrisch und mit Gas angetriebene Wärmepumpenheizungen.

Da elektrische Wärmepumpen unmittelbar kein CO₂ abgeben, aber etwa 25 bis 30 % der Wärmeenergie mittels elektrischer Energie gewinnen^[1], können sie bei Verwendung eines hohen Anteils an kohlenstoffneutral produziertem Strom im Vergleich zu anderen Heizungsarten sehr emissionsarm arbeiten. Stammt die elektrische Energie hingegen aus fossilen Quellen, dann ist der ökologische Vorteil gegenüber modernen Gasheizungen nur sehr gering.^[2]

Bei der Umstellung auf eine CO₂-freie Wärmeversorgung (Dekarbonisierung) kann der Wärmepumpe eine starke Bedeutung zukommen, wenn der Strom aus regenerativen Quellen erzeugt wird. Im Rahmen der Fernwärmeversorgung können Wärmequellen genutzt werden, die für eine direkte Wärmenutzung keine ausreichende Temperatur haben. Es können industrielle Abwärme wie Kühlwasser, Grubenwasser oder oberflächennahe Geothermie als Wärmequelle genutzt werden. Je höher die Temperatur der Wärmequelle ist, der im Verdampfer der Wärmepumpe Wärme entzogen wird, desto höher ist die Leistungszahl der Anlage.

Allgemeines

Die Wärmepumpe entzieht einem Reservoir (Luft, Grundwasser, Erdreich) Wärme und kühlt somit die Wärmequelle, allerdings nur entlang eines Temperaturgradienten. Die Effizienz der Wärmepumpe – ausgedrückt in der Leistungszahl – sinkt allerdings umso mehr, je geringer die Temperatur der Quelle ist.

Die Wärmepumpe ist technisch wie ein Kühlschrank aufgebaut mit dem Unterschied, dass bei der Wärmepumpe die warme Seite (Verflüssiger der Wärmepumpe) zum Heizen genutzt wird. Der Einsatz ist umso effizienter, je geringer die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmereservoir (zum Beispiel Grundwasser von 7 °C) und der „Vorlauf-Temperatur“ ist (= „Heizungs-Vorlauf“ = die Temperatur, mit der das Wasser in den Heizkreis eingespeist wird). Mit steigendem Temperaturhub sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe. Die meisten Wärmepumpen sind für Vorlauftemperaturen bis maximal 60 °C ausgelegt.

Wärmequellen für Wärmepumpen sind Wasser, feuchtes Erdreich oder feuchte Luft. Wenn die Verdampfungstemperatur 0 °C unterschreitet, bildet sich Eis auf den Wärmetauscherflächen. Eis ist eine Isolierschicht und verschlechtert den Wärmeübergang deutlich. Durch neuere Technologien (Gaskühlung) können Wärmepumpen, die der Außenluft die Wärme entziehen, derzeit bis −25 °C Außentemperatur effektiv eingesetzt werden. Eine Wärmepumpe, die einem Wasserspeicher in 10 m Tiefe (ca. 5 °C Erdtemperatur) die Wärme entzieht, kann unabhängig von der Außentemperatur betrieben werden (unter dem Gefrierpunkt von Wasser, weil Eis leichter als Wasser ist und somit an der Oberfläche schwimmt).

Für den Wärmeertrag muss Leistung aufgebracht werden („Input“). Das Verhältnis Ertrag („Output“) zu Input wird Leistungszahl genannt. Eine Leistungszahl größer als 4 gilt als wirtschaftlich.

Die Energie kann mittels elektrischem Strom oder Brennstoffen zugeführt werden. Die Verbrennung von Brennstoffen kann eine Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine betreiben oder in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, der wie der Elektromotor eine Kompressionskältemaschine antreibt.

Technische Einzelheiten

Zur Beheizung von Gebäuden werden im unteren Leistungsbereich meist Elektro-Kompressions-Wärmepumpen verwendet, bei höheren Leistungen auch Gasmotorwärmepumpen. Verwendet werden auch Absorptions- bzw. Adsorptions-Wärmepumpen. Wärmepumpen, die den Vuilleumier-Kreisprozess nutzen, sind noch nicht marktreif.

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. Da Wärmepumpen zum Teil erhebliche Anlaufströme haben, die zu Netzrückwirkungen (Spannungseinbrüchen) führen können, muss der Anschluss vom Energieversorgungsunternehmen genehmigt werden. Die Genehmigung wird im Regelfall mit bestimmten Auflagen (Anlaufstrombegrenzung, Anläufe/Stunde beschränkt) erteilt.

Das verdichtete Kältemittel kondensiert im Verflüssiger. Dies ist ein Wärmeübertrager, der auf der Gegenseite mit einem Wärmeträger, in der Regel Wasser oder Wasser-Sole-Gemisch (Frostschutz), beaufschlagt wird. Die bei der Verflüssigung des Kältemittels frei werdende Wärme wird vom Wärmeträger aufgenommen und auf die Heizkörper oder Heizflächen übertragen. Die Wärmeleistung, die, bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung des Verdichtermotors, am Verflüssiger genutzt werden kann, steigt mit abnehmender Differenz zwischen der Verdampfungs- und der Verflüssigungstemperatur im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe.

Das Verhältnis der Wärmeleistung („Output“) zur elektrischen Leistung („Input“) wird als Leistungszahl einer Wärmepumpe (engl. Coefficient of Performance, abgekürzt COP) bezeichnet.

Eine niedrige Wärmeträgertemperatur (Vorlauftemperatur) kann insbesondere mit Fußbodenheizungen umgesetzt werden, da die Wärmeübertragungsfläche sehr groß ist. Außerdem muss eine sehr gute Wärmedämmung für das zu beheizende Gebäude angestrebt werden, um bei geringem Wärmebedarf eine geringe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers fahren zu können.

Heizfläche und mittlere Übertemperatur (Temperaturdifferenzen Δ T {\displaystyle \Delta T} $\Delta T$ ) eines Heizkörpers oder einer Fußbodenheizung verhalten sich indirekt proportional zueinander. Dies ist mit der veränderten Leistungsabgabe von Speichern bei steigenden Primärtemperaturen zu vergleichen. Diese Problematik verursacht zudem, dass mittels Wärmepumpe die Speichertemperatur nur auf eine bestimmte Temperatur angehoben werden kann. Die maximal erzeugbare Warmwassertemperatur ist vom maximalen Verdichter-Hochdruck abhängig.

Bei der Beheizung von Speichern mittels Erdsonden muss darauf geachtet werden, dass die Erdsonde nicht mit mehr als 100 W(therm.)/m Sonde belastet wird, um eine zu starke Vereisung der Sonde zu vermeiden. Da Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, sinkt die Sondentemperatur zu weit ab und die Leistungszahl fällt in den unwirtschaftlichen Bereich unter 2,5.

Wahl des Kältemittels

Heute auf dem europäischen Markt erhältliche Wärmepumpen sowohl für Haushalt und Industrie werden fast ausschließlich mit FKW (fluorierten Kohlenwasserstoffen) betrieben. Systeme mit für die Umwelt weniger problematischen Kältemitteln wie z. B. CO₂ oder Propan haben bislang keine weite Verbreitung gefunden.^[3] Mit CO₂ lassen sich laut Studien hohe Vorlauftemperaturen erzeugen und höhere Jahresarbeitszahlen als mit klassischen Systemen erzielen.^[4] Zudem ist es nicht brennbar und minder giftig. In Japan sind bereits seit 2001 CO₂-Luft-Wasser-Wärmepumpen auf dem Markt erhältlich; seit einiger Zeit werden diese auch vereinzelt in Europa angeboten. Bei der Verwendung von CO₂ benötigt man Komponenten, die mit größeren Drücken betrieben werden können. Hierzu laufen Forschungsprojekte z. B. an der Technischen Universität Braunschweig (Lehrstuhl Thermodynamik)^[5] und der Technischen Universität Dresden. CO₂-Luft-Wasser-Wärmepumpen können teils sehr teure Konkurrenzsysteme (Erdsonden-, Eissonden-, Solewärmepumpen etc.) in Anwendungsnischen verdrängen.^[4]

Sperrzeiten

Bei Nutzung eines günstigen Heizstromtarifs können die Energieversorger die Wärmepumpen zu Zeiten von Spitzenlast, beispielsweise vormittags und am Frühabend, nach den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) bis zu dreimal täglich für je zwei Stunden (auch ferngesteuert) abschalten. Allerdings können viele Energieversorgungsunternehmen (EVU) von dieser Möglichkeit nach unten abweichen, da sie die Sperrzeiten mittels der Rundsteuerempfänger bezogen auf das tatsächliche Lastprofil steuern. Die Sperrzeiten sind dann relativ kurz, so dass ein erhöhter technischer Aufwand (beispielsweise Pufferspeicher) für eine Sperrzeitüberbrückung in der Regel nicht notwendig wird.

Pufferspeicher sind für die Überbrückung von Sperrzeiten auch nur bedingt einsetzbar, da für die Abschaltzeit der Wärmepumpe vom EVU kein Vorsignal gegeben wird. Daher könnte der Temperaturfühler im Pufferspeicher bei Eintritt der Sperrzeit gerade das „Ein“-Signal zum Anlauf der WP geben. Tritt dieser Fall ein, befindet sich im Pufferspeicher kein oder nur ein geringes nutzbares Temperaturgefälle. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gebäude durch eine Sperrzeit abkühlt, ist relativ gering, aber in begrenztem Umfang möglich (Abkühlung 1–2 K).

Ein Gebäude mit nur wenig Speichermassen kühlt schneller aus als eines mit großen Speichermassen;
ein schlecht isoliertes Gebäude kühlt schneller aus als ein gut isoliertes;
ein großes Gebäude kühlt langsamer aus als ein kleines (besseres Verhältnis von Gebäudeoberfläche zu umbautem Raum).

Heizstabsteuerung

Für den Fall, dass die Leistung der Wärmepumpe bei niedrigen Umgebungstemperaturen und gleichzeitig hohem Wärmebedarf nicht ausreicht, verfügen die meisten Wärmepumpenheizungen zur Ergänzung über eine einfache Elektroheizung (Heizstab) im Warmwasserkreislauf oder -speicher.

Die Technischen Anschlussbedingungen (TAB 2007) schreiben im Kapitel 10.2.4 vor, dass Verdichter und Heizstab nur sechs Mal pro Stunde eingeschaltet werden dürfen. Hersteller setzen diese Vorschrift um, indem nach dem Ausschaltvorgang eine zehnminütige Pause eingelegt wird. Bei der Planung und Auslegung muss dieser Sachverhalt berücksichtigt werden.

Der Temperaturhub Δ ϑ {\displaystyle \Delta \vartheta } $\Delta\vartheta$ des Heizstabes wird durch den Massenstrom Δ m Δ t {\displaystyle {\frac {\Delta m}{\Delta t}}} ${\frac {\Delta m}{\Delta t}}$ , die spezifische Wärmekapazität c {\displaystyle c} $c$ des Fluids und die Heizstableistung Φ {\displaystyle \Phi } $\Phi$ bestimmt. Δ ϑ = Φ c ⋅ Δ m Δ t {\displaystyle \Delta \vartheta ={\frac {\Phi }{c\cdot {\frac {\Delta m}{\Delta t}}}}} $\Delta \vartheta ={\frac {\Phi }{c\cdot {\frac {\Delta m}{\Delta t}}}}$

Mit Wasser als Fluid c = 1 , 16 W h K ⋅ k g {\displaystyle c=1{,}16\,{\frac {\mathrm {Wh} }{\mathrm {K\cdot kg} }}} $c = 1{,}16\, \frac {\mathrm{Wh}} {\mathrm{K \cdot kg}}$ beträgt der Temperaturhub bei einem Massenstrom von 1000 kg pro Stunde Δ ϑ = 0 , 86 K {\displaystyle \Delta \vartheta =0{,}86\,\mathrm {K} } $\Delta\vartheta = 0{,}86\, \mathrm{K}$ je kW Heizstableistung.

Bei kleiner Schalthysterese und großem Temperaturhub ist der Heizstab nur wenige Minuten ein- und mindestens zehn Minuten ausgeschaltet. Die vermeintlich hohe Anschlussleistung des Heizstabes kann sich nicht entfalten. Durch Umstellen der obigen Formel nach der Zeit gilt: Δ t = c ⋅ Δ m ⋅ Δ ϑ Φ {\displaystyle \Delta t={\frac {c\cdot \Delta m\cdot \Delta \vartheta }{\Phi }}} $\Delta t={\frac {c\cdot \Delta m\cdot \Delta \vartheta }{\Phi }}$

Wenn die Schalthysterese 1 K, die Heizstableistung 1 kW und die Masse des Wassers 1 kg beträgt, wird der Heizstab nach 4,176 s abgeschaltet.

Kennzahlen

Leistungszahl und Gütegrad

Zur Beurteilung von Wärmepumpen wird die Leistungszahl ε – auch Coefficient of Performance (COP) genannt – herangezogen. Sie ist das Verhältnis von abgegebener Heizwärmeleistung zur eingesetzten Antriebsleistung des Verdichters (auch Kompressor). Die erreichbare Leistungszahl ist in Abhängigkeit von den verwendeten Temperaturen entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt auf den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrades für eine verlustfrei arbeitende Kraftwärmemaschine, die Carnot-Leistungszahl: ε C = T warm T warm − T kalt {\displaystyle \varepsilon _{C}={\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}} $\varepsilon_{C} = \frac{T_\text{warm}}{T_\text{warm} - T_\text{kalt}}$

Das Verhältnis von tatsächlicher zu Carnot-Leistungszahl ist der Gütegrad η = ε / ε C {\displaystyle \eta =\varepsilon /\varepsilon _{C}} $\eta = \varepsilon / \varepsilon_C$ . Damit errechnet sich die Leistungszahl ε = η ⋅ T warm T warm − T kalt {\displaystyle \varepsilon =\eta \cdot {\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}} $\varepsilon = \eta \cdot \frac{T_\text{warm}}{T_\text{warm} - T_\text{kalt}}$

Elektro-Kompressions-Wärmepumpen für die Gebäudeheizung erreichen im Dauerbetrieb unter festgelegten Normbetriebsbedingungen Gütegrade von rund 50 %. Dieser Wert dient hauptsächlich zur Beurteilung der Qualität der Wärmepumpe selbst. Er berücksichtigt nicht den Rest des Heizungssystems.

Für eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde (Verdampfungstemperatur T kalt = 273 K {\displaystyle T_{\text{kalt}}=273\ \mathrm {K} } $T_\text{kalt} = 273\ \mathrm{K}$ , etwa 0 °C) und Fußbodenheizung ( T warm = 308 K {\displaystyle T_{\text{warm}}=308\ \mathrm {K} } $T_\text{warm} = 308\ \mathrm{K}$ , etwa 35 °C Vorlauftemperatur) errechnet man beispielsweise: ε ≈ 0 , 5 ⋅ 308 K 308 K − 273 K = 4 , 4 {\displaystyle \varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {308\ \mathrm {K} }{308\ \mathrm {K} -273\ \mathrm {K} }}=4{,}4} $\varepsilon \approx 0{,}5 \cdot \frac{308\ \mathrm{K}}{308\ \mathrm{K}-273\ \mathrm{K}} = 4{,}4$

Wenn an dem gleichen Wärmepumpenkreislauf eine Radiatorenheizung mit 55 °C ( T warm = 328 K {\displaystyle T_{\text{warm}}=328\ \mathrm {K} } $T_\text{warm} = 328\ \mathrm{K}$ ) Vorlauftemperatur (Verdampfungstemperatur −0 °C) angeschlossen wird, ergibt sich eine deutlich niedrigere Leistungszahl: ε ≈ 0 , 5 ⋅ 328 K 328 K − 273 K = 3 , 0 {\displaystyle \varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {328\ \mathrm {K} }{328\ \mathrm {K} -273\ \mathrm {K} }}=3{,}0} $\varepsilon \approx 0{,}5 \cdot \frac{328\ \mathrm{K}}{328\ \mathrm{K}-273\ \mathrm{K}} = 3{,}0$

Beim Einsatz einer Erdwärmesonde als Wärmequelle ist die Verdampfungstemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Eine Wärmepumpe, die als Wärmequelle die Umgebungsluft nutzt, hat eine deutlich niedrigere Verdampfungstemperatur als die Anlage mit einer Erdwärmesonde. Mit steigendem Wärmebedarf sinkt die Umgebungstemperatur und damit auch die Leistungszahl. Zudem ist die Wärmeübergangszahl von Luft zu den Verdampferflächen niedrig. Es finden daher möglichst großflächige, verrippte Rohre im Verdampfer Anwendung. Es ist ein Lüfter oder Ventilator notwendig, der die Luft durch die Verdampferflächen drückt.

Wird im Verdampfer häufig der Taupunkt unterschritten, so muss das sich bildende Kondensat (Wasser) abgeführt werden. Wird im Verdampfer der Gefrierpunkt des Kondensats unterschritten, sinkt der Ertragsfaktor wegen der isolierenden Wirkung des Eismantels auf null. Enteisungseinrichtungen sind energetisch unsinnig, es wird die gleiche Menge an Energie zugeführt, die zuvor dem gefrorenen Kondensat entzogen wurde.

In der folgenden Berechnung der Leistungszahl wird eine Außentemperatur von zirka 7 °C und eine Temperaturdifferenz von 12 °C zwischen Lufteintrittstemperatur und Verdampfungstemperatur des Kältemittels angenommen. Mit T kalt = 268 K {\displaystyle T_{\text{kalt}}=268\ \mathrm {K} } $T_\text{kalt} = 268\ \mathrm{K}$ (gleich etwa −5 °C) für die kalte Seite ergibt sich: ε ≈ 0 , 5 ⋅ 328 K 328 K − 268 K = 2 , 7 {\displaystyle \varepsilon \approx 0{,}5\cdot {\frac {328\ \mathrm {K} }{328\ \mathrm {K} -268\ \mathrm {K} }}=2{,}7} $\varepsilon \approx 0{,}5 \cdot \frac{328\ \mathrm{K}}{328\ \mathrm{K}-268\ \mathrm{K}} = 2{,}7$

Es wird deutlich, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe durch die Bauart der Wärmeübertrager, Verflüssiger und Verdampfer stark beeinflusst wird. Unbetrachtet bleibt die Vereisung des Verdampfers. Die Anlage der Beispielrechnung ist nur sinnvoll bei Außentemperaturen größer als +12 °C einsetzbar.

Mit der Erdwärmesonde steht unabhängig von der herrschenden Außentemperatur eine Wärmequelle mit relativ hoher Temperatur zur Verfügung, während die Außenluft eine ungünstige Wärmequelle darstellt. Auf der Seite der Wärmesenke sollte mit einer möglichst großen Fläche eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Wärmeträgervorlauftemperatur angestrebt werden. In den dargestellten Beispielen variiert die Leistungszahl um den Faktor 1,8 zwischen der Erdwärmesonde/Fußbodenheizungswärmepumpe und der Außenluft/Radiatorwärmepumpe.

Unter Standardbedingungen erreichen handelsübliche Wärmepumpen COP-Werte im Bereich von 3,2 bis 4,5 bei Wärmequelle Umgebungsluft und 4,2 bis 5,2 bei Nutzung von Erdwärme, Tendenz steigend.^[6]

Jahresarbeitszahl (JAZ)

Zur Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmepumpenheizungssystems wird die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ), auch Seasonal Performance Factor (SPF) genannt, verwendet. Sie gibt das Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Wärme zur aufgenommenen Antriebsenergie an und ist nicht mit der unter standardisierten Laborbedingungen ermittelten Leistungszahl zu verwechseln. Um Vergleichbarkeit zu gewähren ist es wichtig sich über die Systemgrenze im Klaren zu sein. Die Jahresarbeitszahl kann den zusätzlichen Energieaufwand für die Nebenantriebe (Solepumpen, Grundwasserpumpen bzw. Luft-Ventilatoren etc.,) enthalten, die bei falscher Auslegung einen beachtlichen Teil ausmachen.

Die Jahresarbeitszahl berechnet sich nach folgender Formel:

J A Z = ∫ t 1 t 2 Q ˙ Heiz d t ∫ t 1 t 2 P e l d t {\displaystyle JAZ={\frac {\int _{t1}^{t2}{\dot {Q}}_{\text{Heiz}}\,dt}{\int _{t1}^{t2}P_{\mathrm {el} }\,dt}}} $JAZ = \frac{\int_{t1}^{t2} \dot{Q}_\text{Heiz}\,dt}{\int_{t1}^{t2} P_\mathrm{el}\,dt}$

Vielerlei Faktoren beeinflussen die Jahresarbeitszahl. Hersteller liefern beispielsweise Hard- und Software unterschiedlicher Qualität. Ähnliches gilt für die Arbeit von Installateursbetrieben. Weiterhin ändern sich im Jahresverlauf die Temperaturen, unter denen die Wärmepumpe arbeiten muss. Auf der Senkenseite dominiert beispielsweise im Winter üblicherweise die Gebäudeheizung mit vergleichsweise niedriger Temperatur, im Sommer hingegen die Trinkwarmwasserbereitung mit vergleichsweise hohen Temperaturen. Auch die gesamte Auslegung eines Wärmepumpen-Heizungssystems, z. B. die Tiefe der Erdsonde, die Wahl von Speichern oder Wärmeverteilsystem, hat einen Einfluss auf seine Effizienz. Auf der Quellseite sind ebenfalls Temperaturschwankungen zu beobachten, diese jedoch in starker Abhängigkeit der Quelle. So schwankt die Lufttemperatur stark im täglichen und saisonalen Verlauf, die Erdreich- und Grundwassertemperatur jedoch kaum. Der Standort und das Klima ist ebenfalls relevant.

Die JAZ liegt in Deutschland in der Größenordnung von 3 bis 4,5, bei Grundwassersystemen auch über 5. Ausreißer in beide Richtungen sind möglich.

Ökologische Bilanz

Wärmepumpen kommt eine wichtige Rolle bei einer nachhaltigen Wärmeerzeugung zu^[7], die ein elementarer Bestandteil der Energiewende ist. Die meisten Studien zum Thema kommen zum Ergebnis, dass Wärmepumpen eine zentrale Rolle in einem klimafreundlichem Energiesystem spielen müssen. Ursächlich hierfür ist, dass sich sowohl dezentrale Wärmepumpen als auch Großwärmepumpen in Fernwärmesystemen gesamtkostensenkend auswirken. Sie können auch dazu beitragen, erneuerbare Energien besser ins Energiesystem zu integrieren und zusammen mit diesen den Wärmesektor zu dekarbonisieren.^[8]

Sofern der zum Betrieb von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen benötigte Strom von emissionsfreien Quellen wie Wasserkraftwerken oder Windkraftanlagen bezogen wird, lässt sich mit ihnen effiziente und klimaneutrale Heizwärme gewinnen. Die Wärmepumpenheizung gilt von allen derzeit am Markt erhältlichen Einzeltechnologien als diejenige, die in Zukunft den möglicherweise größten Beitrag zur globalen Treibhausgasreduktion beisteuern könnte. Die IEA geht davon aus, dass alleine durch den Einsatz von Wärmepumpen die weltweiten Treibhausgasemissionen um 8 % reduziert werden können, wenn 30 % der Gebäude statt mit fossil befeuerten Heizungen mit Wärmepumpen beheizt werden.^[9] Die Umstellung der weltweiten Wärmeerzeugung auf Wärmepumpenheizungen, die mit Strom aus erneuerbaren Energien versorgt werden, würde zugleich einen erheblichen Anstieg der globalen Energieerzeugung aus regenerativen Quellen bedeuten und die Effizienz des Energiesystems steigern.^[10]

Die Umweltverträglichkeit einer Kompressions-Wärmepumpe wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

Art der Stromerzeugung (CO₂-Bilanz, Schadstoffemission),
Art der Gaserzeugung (Förderung, Import, Biogasaufbereitung),
Verluste bei der Leitung des elektrischen Stroms,
Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe,
Treibhauspotenzial des Kältemittels.

Treibhausgasbilanz

Entscheidend für die Öko-Bilanz der Elektro-Wärmepumpen ist die Art und Weise, wie der für den Betrieb nötige Strom produziert wurde. Ob Kohlenstoffdioxid eingespart wird, ergibt sich insbesondere aus Jahresarbeitszahl und der Emissionsintensität der Stromerzeugung. Zu berücksichtigen sind unterschiedliche Brennstoffe in Kraftwerken und Hausheizungen und deren Emissionsfaktoren, sodass selbst bei gleichem Primärenergiebedarf die CO₂-Emissionen bei der Stromerzeugung höher (z. B. bei Schwerpunkt auf Kohleverstromung) oder niedriger (z. B. durch hohen Anteil Erneuerbarer Energie oder Kernenergie) ausfallen können. Bei Staaten mit hohem Anteil emissionsfreier Energieerzeugung wie z. B. Österreich, wo Wasserkraft die dominierende Stromquelle ist, werden bereits bei einer Jahresarbeitszahl von 1,0 Kohlenstoffdioxidemissionen eingespart, in Estland hingegen erst bei einer Jahresarbeitszahl von 5,1. In Deutschland liegt der Wert bei 2,2. Als Vergleichswert diente ein Gaskessel mit einem Wirkungsgrad von 95 % und Emissionen von 213 g/kWh.^[11]

2020 erschien in der Fachzeitschrift Nature Sustainability eine Studie, die die CO₂-Bilanz von Wärmepumpenheizungen über den gesamten Lebenszyklus (d. h. Herstellung, Betrieb und Recycling) sowohl für das Jahr 2015 als auch die Zukunft analysierte. Die Autoren studierten dabei zunächst die Bilanz im weltweiten Durchschnitt und teilten die Welt schließlich in 59 Regionen auf, die sie dann einzeln analysierten, um regionale Unterschiede zu erkennen. Dabei kamen sie zum Ergebnis, dass bereits im Jahr 2015 die Nutzung einer durchschnittlichen Wärmepumpe verglichen mit einer durchschnittlichen neuen fossil befeuerten Heizung deutlich weniger Kohlendioxid produziert hätte. Demnach waren Wärmepumpen immer dann klimafreundlicher als fossile Heizungen, wenn Strom bezogen wurde, bei dessen Produktion weniger als 1000 g CO_2e/kWh anfiel. Mehr als 90 % der Weltstromerzeugung liegen unter diesem Emissionslevel. Sofern die Emissionen der Stromerzeugung unter 500 g CO_2e /kWh lägen, stießen Wärmepumpen im globalen Durchschnitt selbst dann, wenn sie sehr ineffizient arbeiten würden, weniger Emissionen als sehr effiziente neue fossile Heizungen. Insgesamt kamen die Autoren zu dem Ergebnis, dass Wärmepumpen bereits 2015 in 53 der 59 Regionen weltweit mit zusammen 96 % des globalen Wärmebedarfs klimafreundlicher als fossile Heizungen gewesen seien. Im Durchschnitt lagen die Emissionen von Wärmepumpenheizungen um 35 % unter denen von fossilen Heizungen. Zudem werde sich der Klimavorteil von Wärmepumpen in der Zukunft mit der erwarteten Rückgang der Emissionen der Stromerzeugung noch weiter verbessern, sodass insgesamt der Umstieg auf Wärmepumpen in den meisten Regionen weltweit fast sicher die Treibhausgasemissionen reduzieren würde; auch unter der Annahme, dass diese Elektrifizierung des Wärmesektors nicht gleichzeitig von einer weiteren Dekarbonisierung der Stromerzeugung begleitet würde.^[12]

Wärmepumpen können klimaschädliche Kältemittel wie R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan), R404A (Ersatzkältemittel für R502 und R22 (Chlordifluormethan)), R407C (Ersatz des Kältemittels R22) oder R-410A enthalten. Ein Kilogramm dieser Kältemittel entwickelt das gleiche Treibhauspotential wie 1,3 bis 3,3 Tonnen CO₂. Bei nicht sachgerechtem Recycling kann es zur Freisetzung dieser Stoffe und zu entsprechenden Treibhausgasemissionen kommen. Es gibt jedoch auch klimafreundliche Alternativen wie R744, R290, R600a oder R1270.

Primärenergiebilanz

Wie viel Primärenergie eingespart wird, ergibt sich aus der Primärenergiebilanz der Stromerzeugung. Mit dem seit 2016 in Deutschland geltenden Primärenergiefaktor von 1,8 sparen inzwischen auch Wärmepumpen mit Wärmequelle Außenluft Primärenergie gegenüber Gas-Brennwertkesseln ein.^[13] Für Deutschland durchschnittliche Werte sind in der Tabelle unten angegeben. Die höchsten Einsparungen ergeben sich, wenn die Wärmepumpen mit erneuerbaren Energien betrieben werden, die Strom direkt ohne thermodynamische Verluste produzieren. Bei fossilen Kraftwerken schneiden Gas-und-Dampf-Kraftwerke (GuD-Kraftwerk) am besten ab. So liefern Wärmepumpen mit einer JAZ von 3,5, die mit Strom aus einem Gas-Kraftwerk betrieben werden, mit einem Primärenergieeinsatz von 1,7 kWh 3,5 kWh Wärmeenergie.

Kraftwerk	Primärenergieeinsatz	daraus gewonnene elektrische Energie	Nutzwärme bei JAZ 3,5
Kohlekraftwerk	2,4 kWh	1 kWh	3,5 kWh
GuD-Kraftwerk	1,7 kWh
Wasserkraftwerk, Windkraftanlage, Photovoltaik, Sonnenwärmekraftwerk	1 kWh
Kernkraftwerk	3 kWh
Kraftwerksmix Deutschland	2,4 kWh

Unabhängig von dieser primärenergetischen Betrachtung können Wärmepumpen auch zu einer Verringerung bestimmter Schadstoffemissionen (Kohlendioxid, Stickoxide, Feinstaub, Schwefelverbindungen etc.) beitragen, da bei Nutzung von festen und fossilen Brennstoffen (Steinkohle, Braunkohle) im Kraftwerk eine hocheffektive Rauchgasreinigung (zumindest bei gleichem Brennstoff) i. d. R. spezifisch geringere Emissionen als die lokale Verbrennung verursacht.

Systemtypen und Wärmequellen

Wärmepumpenheizungen können grob nach ihrer Wärmequelle kategorisiert werden:^[15]

Luft (Außenluft- oder Abluft-Wärmepumpe, gegebenenfalls mit Vorerwärmung über Erdwärmetauscher)
Erdwärme (Wärmegewinnung über Erdsonden oder -kollektoren, s. u.)
Wasser (Wärmegewinnung aus Grundwasser, Oberflächenwässern oder Abwasser)
Sonne (Solaranlage erwärmt Solespeicher)

Nach dem Medium der Wärmegewinnung und -abgabe werden unterschieden:

Wasser/Wasser-Wärmepumpe (WWWP) mit Entzug der Wärme aus dem Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen, aus Oberflächenwässern oder Abwässern,
Sole/Wasser-Wärmepumpe (SWWP), als Wärmequellen dienen:
- Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren (Spiralkollektoren, Grabenkollektoren, Erdwärmekörbe etc.)
- die Sonnenenergie über Sonnenkollektoren und Pufferspeicher
- der Umgebung über Massivabsorber, Energiezaun, o. ä.
Luft/Wasser-Wärmepumpe (LWWP) mit Entzug der Wärme aus Abluft oder Außenluft, seltener auch mit Vorerwärmung durch Erdwärmetauscher, Fassadenkollektoren oder ähnlichem; preiswert und häufig verwendet.
Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP) werden nur in großen Gebäuden zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft von Lüftungsanlagen (Klimaanlagen) verwendet

In Niedrigenergiehäusern werden vermehrt Abluft (z. B. Lüftungskompaktgeräte in Passivhäusern), Abwasser^[16] und die Sonnenwärme^[17] zur Energiegewinnung genutzt, in Gewerbe und Industrie auch die ohnehin anfallende Prozesswärme. In einem Wärmepumpensystem können auch mehrere Quellen kombiniert werden, beispielsweise über einen gemeinsamen quellseitigen Solekreislauf.

Neben Anlagen, die einzelne Häuser beheizen, können Wärmepumpen auch in Fern- bzw. Nahwärmenetze eingebunden werden. Derartige Systeme besitzen zumeist eine Leistung im MW-Bereich und gelten als wichtige Technik zur Verknüpfung von Strom- und Wärmsektor in zukünftigen Energiesystemen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien, speziell der Windenergie. In solchen Systemen kommt Wärmepumpen die Rolle zu, während Zeiten mit hoher regenerativer Stromerzeugung Wärme zu liefern, sodass keine (fossil) betriebene Kessel bzw. Heizwerke betrieben werden müssen, womit die Energieeffizienz gesteigert werden kann. Derartige Großwärmepumpen können mit verschiedenen Wärmequellen betrieben werden; u. a. kommen Niedertemperaturabwärme aus der Industrie, Supermärkte, Abwässer (z. B. aus Kläranlagen), Trink-, Brauch- und Grundwasser, Flüsse, Seen und das Meerwasser als Wärmequelle in Frage.^[18]

Wärmepumpenarten nach Wärmequellen

Luftwärmepumpe

Eine Luftwärmepumpe nutzt die von der Sonne erwärmte Außenluft zum Heizen und Aufbereiten des Warmwassers. Bei besonders tiefen Außentemperaturen sinkt der Wirkungsgrad stark ab. Durch bivalenten – parallelen Betrieb von Wärmepumpen mit bestimmten Kombisystemen lässt sich die Effizienz steigern, indem in diesen Fällen ein alternatives Heizungssystem zugeschaltet wird, um die benötigte Spitzenlast zu liefern. Das erhöht freilich die Kosten. Der Begriff Luftwärmepumpe wird für verschiedene Systeme verwendet. Daher wird meist noch differenzierter eingeteilt:

Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Umgebungsluft über einen Wärmetauscher Wärme und geben diese an die bestehenden Heizungs- und/oder Warmwasserkreisläufe ab (Fußbodenheizung, Radiatoren o. ä.).
Luft-Luft-Wärmepumpen entziehen der Luft Wärme und stellen sie einem Luft-Heizungssystem oder einer Lüftungsanlage zur Verfügung.
Bei der Direktwärmepumpe wird der Luft Wärme entzogen, welche ohne zusätzliche Wärmetauscherverluste mittels Direktkondensation in die im Heizestrich verlegten Fußbodenheizungsrohre eingeleitet wird. Anders als bei anderen Luftwärmepumpen fließt ein Kältemittel direkt durch die Kupferrohre der Bodenheizung. Die Direktwärmepumpe hat keine Umwälzpumpe und keinen Sekundärwärmetauscher. Eine Direktwärmepumpe eignet sich nur für den Neubau. Nachteilig ist, dass die Regelung einzelner Heizkreise fast unmöglich ist.

Luftwärmepumpen sind im Vergleich zu anderen Wärmepumpen in der Anschaffung meist günstiger, im Betrieb aber teurer. Luft-Wasser-Wärmepumpen können je nach Fabrikat außerhalb und innerhalb von Gebäuden aufgestellt werden. Der Wirkungsgrad der Luftwärmepumpe sinkt, je tiefer die Außentemperaturen werden. Luft-WP lassen sich bei sanierten Altbauten und in Neubauten mit Flächenheizkreisen installieren und sowohl in monovalentem als auch in bivalentem Betrieb betreiben (s. o. Abschnitt Kältemittel). Relevant ist auch die Geräuschbelastung der Umgebung, die eine Aufstellung in Gebäudenähe häufig problematisch macht. Ein typischer Schalldruckpegel, in einem Meter Abstand, von zum Beispiel 51 bis 62 dB(A) (Datenblatt Viessmann Vitocal 300-A) wird als sehr störend empfunden. Zur Beurteilung der Geräuschemissionen von Luftwärmepumpen wird, aus Ermangelung einer eigenen normenkonkretisierender Verwaltungsvorschrift, die für Industrie- und Gewerbelärm zuständige TA-Lärm herangezogen, die je nach Wohngebietsausweisung unterschiedliche Immissionsrichtwerte vorsieht. In häufig anzutreffenden allgemeinen Wohngebieten gilt tagsüber 55 dB(A) und nachts 40 dB(A) vor dem Fenster eines schutzbedürftigen Wohnraums (Wohn-, Schlaf-, Arbeitszimmer und Küche mit Esstisch).

Die Jahresarbeitszahl von modernen WP lässt sich durch die Verwendung der Invertertechnologie verbessern. Trotzdem gibt es nach wie vor große Abweichungen zwischen den nach VDI 4650 berechneten Jahresarbeitszahlen und den in der Praxis erzielten Werten.^[19]

Orientierungswerte:

Fußbodenheizung Vorlauftemperatur 30 bis 35 °C
Heizkörper/Radiatoren Vorlauftemperatur 50 bis 55 °C
Gebläsekonvektoren Vorlauftemperatur 35 bis 45 °C

Erdwärmepumpe

Erdwärmepumpen nutzen die fühlbare Wärme eines Erdkörpers als Energiequelle. Die entnommene Wärme wird überwiegend durch die Aufheizung des Erdkörpers durch Solarstrahlung und Regenwasser wieder ausgeglichen. Nur ein geringer Anteil stammt aus dem Erdinneren.

In Deutschland wird für die Berechnung üblicherweise eine Umgebungstemperatur von 0 °C für oberflächennahe Erdwärmekollektoren und von 8 °C für das Grundwasser sowie für tiefe Erdwärmesonden angenommen.

Bei mangelhafter Auslegung können Sole-Wärmepumpen im Winter das Erdreich vereisen (siehe Permafrost).

Erdwärmesonden

(z. B. CO₂-Sonden) sind Bohrungen in den Boden bis zu mehreren 100 Metern. Die meisten Bohrungen werden bis 50 Meter ausgeführt. Reicht die Leistung einer Erdwärmesonde nicht aus, werden mehrere Bohrungen auf Basis der berechneten Entzugsleistung gesetzt. Bohrungen sind eine einfache und zuverlässige Methode, eine Wärmepumpe zu betreiben, da nicht der ganze Garten umgegraben werden muss (wie bei Kollektoren) und auch die Entzugsleistung am höchsten ist. Nachteilig sind die hohen Kosten für die Bohrungen.

Erdwärmekollektoren

sind in geringer Tiefe (zirka 1 bis 1,5 m, Abstand zirka 1 m) im Erdboden verlegte „Heizschlangen“. Die Wärme wird im Wesentlichen durch Sonnenenergie und versickerndes Regenwasser eingetragen, weshalb oberflächennahe Kollektoren nicht unter versiegelten Flächen verlegt werden sollten. Nur bei sehr hohem Grundwasserstand trägt auch dieses zur Wärmegewinnung bei.

Die Entzugsleistung hängt unter anderem von der Wärmeleitfähigkeit und Wasserspeicherung des Erdbodens, sowie von Sonneneinstrahlung und Bodenfeuchte ab. Oberflächennahe Kollektoren sollten so geplant sein, dass die sensible Bodenwärme zur Versorgung ausreicht. Durch Vereisung der Umgebung können zusätzliche Wärmemengen (Latenzwärme) entzogen werden, allerdings bei fallender Soletemperatur (pro Grad Celsius steigt der Strombedarf um ca. 2,5 %).

Spiralkollektoren

Spiralkollektoren und Erdwärmekörbe als Wärmetauscher haben einen geringeren Flächenbedarf als großflächig eingebrachte Erdwärmekollektoren und sind preiswerter als Tiefenbohrungen. Auch wird keine Zufahrtsmöglichkeit für ein Erdsonden-Tiefenbohrgerät benötigt.

Erdwärmegewinnung aus Tunneln

Vermehrt werden Tunnel zur Gewinnung von Geothermie benutzt. Entweder über selbsttätig ausfließendes Wasser^[20]^[21]^[22] oder über Soleleitungen in den Tunnelwänden.^[23]^[24] Laut einer Untersuchung des schweizerischen Bundesamtes für Energie aus 1995 könnten aus 130 der 600 Tunnel und Stollen der Schweiz rund 30 MW an Wärme gewonnen werden.^[25]

Wasserwärmepumpe

Grundwasserwärmepumpe (Wasser-Wasser-Wärmepumpen)

Hierbei wird Grundwasser aus einem Förderbrunnen entnommen und durch einen so genannten Schluckbrunnen zurückgeführt. Hier ist die Qualität des Wassers von entscheidender Bedeutung für die Zuverlässigkeit des Systems. Entweder wird das Grundwasser direkt durch den Verdampferwärmetauscher der Wärmepumpe zugeführt, oder zwischen Grundwasser und Verdampferwärmetauscher wird zunächst noch ein Wärmetauscher zwischengeschaltet. Vor der Installation sollte eine Wasserprobe gezogen werden und mit den Anforderungen des Herstellers der Wärmepumpe verglichen werden. Durch die im Jahresmittel oft durchgängig bei ca. 7 bis 11 °C liegenden Grundwasser-Temperaturen können Grundwasser-Wärmepumpen Jahresarbeitzahlen bis über 5 erreichen. Problematisch ist die Verockerung bzw. Korrosion der vom Grundwasser durchströmten Anlagenteile bei eisen- und manganhaltigem Wasser. In der Regel bedarf es einer wasserrechtlichen Genehmigung (Wasserbehörde), da der Betrieb einen Eingriff in den Grundwasserhaushalt bedeutet.

Oberflächenwasserwärmepumpe

Auch das Wasser von Meeren, Flüssen und Seen eignet sich als Energiequelle für den Betrieb von Wärmepumpen. Das Potential solcher Wärmequellen gilt als sehr groß: Alleine aus dem Bodensee soll sich bei Temperaturschwankungen von ±0,2 °C eine Wärmeleistung von einem GW gewinnen lassen. Erste derartige Anlagen wurden im Bodensee bereits in den 1960er Jahren installiert, in Deutschland sind sie bisher jedoch noch nicht sehr verbreitet, während in der Schweiz deutlich mehr Anlagen existieren und die Nutzung der Alpenseen zwecks Wärmegewinnung politisch vorangetrieben wird.^[26] Auch in Skandinavien und Japan sind derartige Anlagen verbreitet. In Großbritannien geht man davon aus, dass mehrere Millionen Haushalte mittels Wärmepumpen beheizt werden könnten, die ihre Energie aus Flüssen und Seen gewinnen. Insgesamt sollen nach Plänen des Energieministeriums 4,5 Mio. Haushalte mit Wärmepumpen beheizt werden. Eine erste Anlage, die Wärme für über 100 Haushalte sowie weitere angeschlossene Gewerbebetriebe aus der Themse gewinnt, ging im März 2014 in Betrieb.^[27] Die größte Wärmepumpenanlage, die Seewasser nutzt, befindet sich mit Stand 2016 in Stockholm. Sie versorgt ein Fernwärmenetz, an das 2,1 Mio Menschen angeschlossen sind, und verfügt über eine Leistung von rund 420 MW.^[28]

Abwasserwärmepumpe

→ Hauptartikel: Abwasserwärmerückgewinnung

Eine Abwasserwärmepumpe wird in der Kanalisation installiert und nutzt die Wärme von Abwässern. Für die Nutzung eignen sich vor allem größere Abwasserrohre. Mit diesen lassen sich dann jedoch auch hohe Leistungen erzielen. In der Kanalisation liegen die Temperaturen im Jahresverlauf weitgehend gleichmäßig zwischen 12 und 20 Grad Celsius. Zudem isoliert das Erdreich um die Rohre, wodurch Lastspitzen abgepuffert werden können. Als wirtschaftlich gelten vor allem größere Anlagen, die Verwaltungszentren, Krankenhäuser, Schulen, Wohnsiedlungen oder Hallenbäder mit relativ konstantem Wärmebedarf beheizen. Perspektivisch ist geplant, in der Kanalisation Abwärme von Industrieprozessen oder Kraftwerken gezielt zwischenzuspeichern und diese per Wärmepumpe bei Bedarf wieder abzurufen.^[29]

Kalte Nahwärme

→ Hauptartikel: Kalte Nahwärme

Kalte Nahwärme bzw. Kalte Fernwärme ist eine technische Variante eines Wärmeversorgungsnetzes, das mit niedrigen Übertragungstemperaturen nahe der Bodentemperatur und damit deutlich unterhalb herkömmlicher Fern- oder Nahwärmesysteme arbeitet. Da diese Betriebstemperaturen nicht ausreichend sind für die Warmwasser- und Heizwärmeproduktion, wird die Temperatur beim Abnehmer mittels Wärmepumpen auf das erforderliche Niveau angehoben. Auf die gleiche Art und Weise kann auch Kälte produziert werden und die Abwärme ins Wärmenetz zurückgespeist werden. Auf diese Weise sind angeschlossene nicht nur Kunden, sondern können als Prosumer fungieren, die abhängig von der jeweiligen Umständen sowohl Wärme konsumieren oder produzieren können. Wie gewöhnliche Erdwärmepumpen haben Kalte Nahwärmenetze gegenüber Luftwärmepumpen den Vorteil, aufgrund des niedrigeren Temperaturdeltas zwischen Wärmequelle und Heiztemperatur effizienter zu arbeiten. Gegenüber Erdwärmepumpen haben Kalte Nahwärmenetze jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass auch im städtischen Raum, wo häufig Platzprobleme den Einsatz von Erdwärmepumpen verhindern, über zentrale Wärmespeicher saisonal Wärme speichert werden kann, und darüber hinaus die unterschiedlichen Lastprofile verschiedener Gebäude ggf. einen Ausgleich zwischen Wärme- und Kältebedarf ermöglichen.^[30]

Besonders gut ist ihr Einsatz dort geeignet, wo verschiedene Arten von Bebauung (Wohngebäude, Gewerbe, Supermärkte etc.) existieren und somit sowohl Wärme und Kälte nachgefragt wird, wodurch ein Energieausgleich über kurze oder lange Zeiträume ermöglicht wird. Alternativ ermöglichen saisonale Wärmespeicher einen Ausgleich von Energieeinspeisung und -nachfrage. Durch die Nutzung verschiedener Wärmequellen wie z. B. Abwärme aus Industrie und Gewerbe und die Kombination von Wärmequellen und Wärmesenken können zudem Synergien geschaffen werden und die Wärmeversorgung in Richtung einer Kreislaufwirtschaft weiterentwickelt werden. Zudem ermöglicht die niedrige Betriebstemperatur der Kaltwärmenetze sonst kaum nutzbare Niedertemperaturabwärme unkompliziert in das Netz einzuspeisen. Gleichzeitig verringert die niedrige Betriebstemperatur die Wärmeverluste des Wärmenetzes deutlich, was insbesondere im Sommer, wo nur eine geringe Wärmenachfrage herrscht, die Energieverluste begrenzt.^[30] Auch ist die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen gerade verglichen mit Luft-Wärmepumpen relativ hoch. Eine Untersuchung von 40 bis zum Jahr 2018 in Betrieb genommenen Anlagen ergab, dass die Wärmepumpen bei einem Großteil der untersuchten Systeme eine Jahresarbeitszahl von mindestens 4 erreichten; die höchsten Werte lagen bei 6.^[30]

Wärmepumpen nach Art des Antriebs

Wie oben beschrieben, wird ein Teil der Heizleistung von Wärmepumpen meist durch Verdichtung erreicht. Das Kältemittel erwärmt sich dissipativ durch den höheren Druck und wird im Anschluss zum Heizen genutzt. Je nach Anwendung können unterschiedliche Antriebsarten besser geeignet sein.^[31]

Elektromotor

Die im Einfamilienhaus am häufigsten anzutreffende Variante ist der Elektromotor. Darin treibt ein durch einen Frequenzumrichter geregelter Motor einen Scroll- oder Schraubenkompressor an. Vorteile der reinen Elektrowärmepumpe liegen im niedrigen möglichen Leistungsbereich der Anlagen und in der ausschließlichen Nutzung von Strom als Energiequelle. Es sind weder Schornstein noch Treibstoff-Zuleitungen erforderlich. Nachteilig sind der geringere Wirkungsgrad bei niedrigen Umgebungs- oder Grundwassertemperaturen und die einseitige Abhängigkeit vom Stromnetz.

Gasmotor

Funktionsprinzip einer Gasmotorwärmepumpe

Bei größeren Objekten wie Mehrfamilienhäusern, Gewerbebetrieben oder Supermärkten können Gasmotoren genutzt werden. Darin werden an den Betrieb mit Erdgas oder anderen Gasen (Propan, Butan etc.) angepassten Gas-Otto-Motoren als Verdichterantrieb installiert. Die etwas aufwändigeren Anlagen rentieren sich erst bei größeren Gebäuden oder in Nahwärmenetzen, bieten aber mit der Motorabwärme (zwischen 75 °C und 90 °C) und der Wärme im Abgas (mehrere 100 °C möglich) sowie der Kälte am Verdampfer drei zusätzliche, gleichzeitige Temperaturkreisläufe für unterschiedlichste Anwendungen. Durch die Verwendung von zu Bioerdgas aufbereitetem Biomethan als Brennstoff können auch Gasmotorwärmepumpen CO₂-neutral betrieben werden.

Ein anderes Funktionsprinzip treibt mit einem Brenngas den heißen Teil eines Stirlingmotors an, der auf der kalten Seite, ohne weitere verlustbehaftete Umwandlungen, direkt als Kompressor für einen Kältemittelkreislauf dient. Mit diesem Prinzip lässt sich auch der Leistungsbereich für Einfamilienhäuser wirtschaftlich und umweltfreundlich abdecken. Aufgrund der höheren Vorlauftemperatur im Vergleich zu elektromotorisch angetriebenen Kompressionswärmepumpen, eignet sich diese Technik insbesondere für die Sanierung von alten Bestandsgebäuden^[32].

Gasbrenner

Wird ein Gasbrenner zur thermischen Verdichtung des Kältemittels eingesetzt (Sorptions-Wärmepumpe), kann die Abhängigkeit vom Stromnetz weiter reduziert werden. Hier wird nur noch eine kleine, elektrische Pumpe neben der reinen Umwälzfunktion zur Vorverdichtung genutzt. Die eigentliche Verdichtung erfolgt infolge der Aufheizung durch Gasbrenner, die ohne mechanische Umwandlungsverluste einen hohen, rein thermischen Wirkungsgrad erreichen. Die Reduktion von bewegten Komponenten bewirkt zudem einen geringeren Eigenstromverbrauch. Wie Gasmotorwärmepumpen sind reine Gaswärmepumpen in der Investition etwas aufwändiger und rentieren sich erst ab bestimmten Anlagengrößen oder in Nahwärmenetzen. Auch sie können mit zu Bioerdgas aufbereitetem Biomethan als Brennstoff CO₂-neutral betrieben werden. Gleiches gilt im Übrigen auch, wenn ein Gasbrenner als Spitzenlastheizung zu einer Elektrowärmepumpe hinzugefügt wird.

Hybrid- und Mischsysteme

Solar-Eis-Speicher-Wärmepumpe / Latent-Wärmepumpe / Direktverdampfer-Wärmepumpe

Beim Solar-Eis-Speicher besteht der Speicher in einem großen Wassertank, der beim Gefrieren auf 0 °C durch ein Kühlmittel (z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch) die sogenannte Kristallisationswärme zur Wärmenutzung verfügbar macht.

Der bei weiterer Wärmeentnahme entstehende Vereisungsprozess ist gewollt, denn der Phasenwechsel von Wasser zu Eis bringt einen weiteren Energiegewinn. Hierbei bleibt die Temperatur zwar konstant bei 0 °C, doch es werden weitere 93 Wh/kg Kristallisationsenergie frei, die von der Wärmepumpe genutzt werden können. Das ist die gleiche Energiemenge, die frei wird, wenn Wasser von 80 auf 0 °C abgekühlt wird.

Das System entspricht weitgehend der Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Das ausgekühlte Wasser fließt hier jedoch nicht als Grundwasser einfach weiter, sondern dient im Sommer auch direkt als Kühlmedium, das ohne erneuten energetischen kostenintensiven Wärmetauscherprozess im Umkehrbetrieb (Klimakühlanlage) einfach über eine Umwälzpumpe in der Hausheizung genutzt werden kann und so den Speicher teils wieder regeneriert.

Die Regeneration erfolgt konstant durch alle Energiequellen, die wärmer als 0 Grad sind.

Die Enthalpie – also der „Wärme“-Inhalt des „Eisspeichers“ – liegt bei 333,5 kJ/kg oder 85 kWh/m³ Eis. Dies sind gut 8 Liter Heizöl pro Kubikmeter. Dementsprechend muss die Anlage um die Kälteschlangen, um die sich mit der Zeit ein Eismantel legt, der den weiteren Energieentzug behindert, dimensioniert werden.

Gängige Modelle mit einem Solar-Eis-Speicher von ca. 12 m³ und 5 Solar-Luft-Kollektoren (à 2 m²) auf dem Dach bieten im monovalenter Betrieb etwa 1800 Volllaststunden im Jahr für den Heizbetrieb mit einer maximalen Heizlast von 7,5 kW.

Damit ist theoretisch eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe zum ganzjährigen Heizen inklusive Trinkwassererwärmung immer noch die erste Wahl. Allerdings ist im Sommer der Energieaufwand zum Kühlen vermutlich mit dem Eisspeicher-System lukrativer. Die Systeme konkurrieren daher miteinander um den gesamt-energetischen Wirkungsgrad.

Unter Referenzbedingungen der Stiftung Warentest erreicht die Solar-Heizung eine System-Jahresarbeitszahl (SJAZ) von ca. 5 (inkl. Stromverbrauch Lüfter, Pumpen etc. und einschließlich direkt genutzter Solarwärme).^[33]

Saisonaler Erdspeicher plus Wärmepumpe

Beim Erdspeicher besteht die Möglichkeit, diesen als Langzeitenergiespeicher zu nutzen. Dieser besteht aus einem gedämmten Erdspeicher, der von einem definierten System aus Kunststoffleitungen durchzogen ist. Es werden Überschüsse aus anderen Wärmequellen wie der Solarthermie gepuffert. Dadurch ergibt sich eine Anhebung der Quelltemperatur für die Wärmepumpe um durchschnittlich 10 °C im Vergleich zu Erdflächenkollektoren. Dabei können dem Erdspeicher auch Wärmequellen mit relativ niedrigen Temperaturen zugeführt werden, die nicht unmittelbar für Heizung genutzt werden können. Als Wärmeträger kommt neben (Sole) oder einem Wasser-Glykol-Gemisch auch reines Wasser in Frage.

Der Betrieb ohne Frostschutzmittel ermöglicht den Einsatz in Trinkwasserschutzgebieten. Basis hierfür ist das kontrollierte Temperaturniveau im Erdspeicher, welches über den saisonalen Wechsel ungefähr zwischen +5 °C und +23 °C liegt.

Das System entspricht weitgehend der Sole-Wasser-Wärmepumpe mit spezieller Regelungstechnik und kann wie vergleichbare Systeme heizen und kühlen. Als Wärmequellen kommen in erster Line Überschüsse aus Solaranlagen oder Prozesswärme in Frage.

Ein Erdspeicher von ca. 100–120 m³, einer abgestimmtem Wärmepumpe und ca. 12–14 m² Solarthermie-Flachkollektoren decken im Heizbetrieb eine Heizlast von ca. 10 kW ab.

Das Erdspeichersystem wird bei Neubauten i. d. R. unter der Bodenplatte eingebaut, um Synergien mit ohnehin anfallenden Arbeiten wie Gründung, Frostschürze, Fundamenten, Dämmung der Bodenplatte etc. zu nutzen. Problematisch erscheint der Einsatz bei Bestandsgebäuden sowie im innerstädtischen Bereich, da notwendige Flächen dort nicht zur Verfügung stehen könnten. Der Bereich, in dem der Erdspeicher eingebaut wird, sollte möglichst auch nicht von Grundwasser durchströmt werden, da sonst erhöhte Anforderungen an die Abdichtung gestellt werden.

Langzeitenergiespeicher sind gegenüber den unteren Wasserbehörden nur anzeigepflichtig, da üblicherweise der Einbau nur 1,20–1,50 m unter der Bodenplatte stattfindet und das Erdreich nicht als Wärmequelle genutzt wird. Durch die geringe Einbautiefe werden in der Regel keine grundwasserführenden Schichten durchstoßen.

Die BAFA fördert Eisspeicher und gedämmte Erdwärmespeichersysteme wie den eTank im Rahmen der Innovationsförderung „Wärmepumpen mit verbesserter Systemeffizienz“. Es muss ein Mindestspeichervolumen eingehalten und per Simulation die Erreichung der Systemjahresarbeitszahl (SJAZ) von 4,1 nachgewiesen werden.^[34] Der Hersteller des saisonalen Erdspeichers eTank wurde 2015 für den Innovationspreis der Länder Berlin und Brandenburg nominiert.^[35]

Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe (Hybrid-Wärmepumpe)

Die Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe ist eine Hybrid-Wärmepumpe, die in ihrer Ausführung ausschließlich regenerative Energiequellen nutzt. Sie kombiniert Luftwärme und Erdwärme in einem kompakten Gerät. Damit unterscheidet sich dieses Hybridsystem von anderen Systemen, die auch mindestens zwei Wärmequellen nutzen. Diese bilden zumeist einen Mix aus konventioneller Heiztechnik (Gasbrennwert-Technik) und erneuerbaren Energiequellen.

Die Luft/Wasser-Sole/Wasser-Wärmepumpe (Hybrid-Wärmepumpe) ist mit zwei Verdampfern ausgestattet (einem Außenluft-Verdampfer und einem Sole-Verdampfer), die beide an den Wärmepumpenkreislauf angeschlossen sind. Das ermöglicht es, im Abgleich mit den äußeren Bedingungen (z. B. Lufttemperatur) die zum aktuellen Zeitpunkt jeweils wirtschaftlichste Wärmequelle vorrangig einzusetzen. Das Hybridsystem wählt automatisch die effektivste Betriebsart (Luftwärme oder Erdwärme). Je nach Betriebsweise können die Energiequellen Luft- und Erdwärme parallel oder alternativ genutzt werden.

Betriebsarten

Es wird in der Regel zwischen drei Betriebsarten unterschieden:

Dem monovalenten Betrieb = nur Wärmepumpe, geeignet für alle Niedertemperaturheizungen bis maximal 55 °C Vorlauftemperaturen.
Dem bivalenten Betrieb = Wärmepumpe und eine zusätzliche Wärmequelle (z. B. Solarkollektoren, Gaskessel, Elektroheizstab und dergleichen)
- Bivalent-alternativ = dabei liefert die Wärmepumpe bis zu einer festgelegten Außentemperatur die gesamte Heizwärme. Sollte der Wert unterschritten werden, schaltet sich die Wärmepumpe ab und ein zweiter Wärmeerzeuger übernimmt das Heizen.
- Bivalent-parallel = wie bei der Bivalent-alternativ-Betriebsart liefert die Wärmepumpe bis zu einem bestimmten Wert die gesamte Heizleistung, allerdings schaltet sich die Wärmepumpe erst nach einem zweiten Grenzwert aus. Dazwischen wird ein zweiter Wärmeerzeuger hinzugeschaltet. Im Gegensatz zum bivalent-alternativen Betrieb ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresleistung deutlich größer.^[36]
Dem monoenergetischen Betrieb = Wärmepumpe und elektrische Zusatzheizung (zumeist bei preiswerten Modellen). Hierbei liefert die Wärmepumpe den Großteil des Jahres die nötige Wärmeleistung. Bei sehr niedrigen Temperaturen (unter −7 °C) reicht die Wärmeleistung nicht aus und es wird ein Heizstab zugeschaltet.^[36]

Umkehrbetrieb

Viele Wärmepumpen beherrschen auch den Umkehrbetrieb zur Kühlung des Hauses. Hierbei wird unterschieden zwischen der Passiven Kühlung mit Grundwasser oder Tiefensonden und der Aktiven Kühlung durch Prozessumkehr. Klassische Heizkörper sind für die Raumkühlung jedoch nicht geeignet, da die relativ kleine Fläche der Heizkörper nur eine beschränkte Wärmeübertragung zulassen.

Aufbau der Kreisläufe

Die Systemtypen können an der Anzahl der Fluidkreise unterschieden werden. Die Entkopplung der Kreise durch indirekte Zuführung der Verdampfungswärme aus der Umgebung und die Abfuhr der Verflüssigungsenergie über ein Warmwasserheizungsnetz sind regelungstechnisch vorteilhaft (jedoch energetisch verlustbehaftet), die Kältemittelmenge und die Wahrscheinlichkeiten von Leckagen sind gering.

3-Kreis-System

Lange nutzten die Wärmepumpenheizungen diese Systemform. Sole wird genutzt, in Form einer Tiefenbohrung oder eines Flächenkollektors. Hierbei zirkuliert als Übertragungsmedium Sole in einem geschlossenen Kreislauf und nimmt die Wärme des Erdreichs auf, um sie in der Wärmepumpe an den Kältemittelkreislauf abzugeben. Im dritten Kreis, der Raumheizung, zirkuliert Wasser, das über einen Wärmetauscher durch die Wärmepumpe erwärmt wird. Bei dieser Systemart kann auch eine CO₂-Sonde in einer Tiefenbohrung als Kollektor zum Einsatz kommen. Der Vorteil (vom Wirkungsgrad her gesehen) gegenüber der Sole in einer Tiefenbohrung ist die nicht notwendige Energie zum Umwälzen des Mediums im Kollektor.

2-Kreis-System

Sie werden auch Direktsysteme genannt, weil sie auf den separaten Solekreis verzichten. Es entfällt der Wärmeübergang vom Kollektorkreis (Sole) auf den Arbeitskreis der Wärmepumpe. Das Kältemittel nimmt die Wärme direkt auf (Direktverdampfung). Dies bringt einen energetischen Vorteil von wenigstens 5 Grad. Das Entfallen der Solezirkulationspumpe reduziert den Stromverbrauch. Beim Einsatz von Erdspießen als Wärmequelle ist die direkte Verdampfung nicht möglich; es muss ein Solekreis verwendet werden.

1-Kreis-System

Hierbei zirkuliert das Kältemittel in den Rohren der Raumheizung, in der Wärmepumpe und im Kollektor im Garten in einem gemeinsamen geschlossenen Kreis. Der Wärmeübergang auf Wasser als Heizmedium im Haus entfällt somit. Dieses System hat energetische Vorteile, da die Umwälzpumpe und der Temperaturabfall an dem Wärmeübertrager zum Heizkreis entfallen. Das Kältemittel wird in der Regel als Heißgas zu den Kollektoren der Fußbodenheizung geführt und kondensiert in dem Verflüssigersystem. Problematisch an dieser Anordnung sind:

deutlich höhere Kältemittelfüllmengen,
die aufwändige Verrohrung bedingt höhere Wahrscheinlichkeiten von Leckagen,
problematische Ölrückführung aus dem Fußbodenkollektor,
lastabhängige Kältemittelverteilung in dem Gesamtsystem,
schwierige Regelung und gegenseitige Beeinflussung der Fußbodenkollektorflächen.

An die Realisierung dieses Systemtyps trauten sich 2007 nur wenige (etwa zwei bis drei) Hersteller heran, weil er systemtechnisch (Druck und Temperatur des Kältemittels und Laufzeit der Wärmepumpe) schwierig zu steuern war.

Heizwasserverteilung/Zwischenlagerung

Wassertank einer Luft-Wasser-Wärmepumpenheizung in einem Einfamilienhaus

Sollte die von der Wärmepumpe gelieferte Wärme zeitweise nicht ausreichend abgenommen/gebraucht werden, so kann das Warmwasser zwischengelagert werden; dieses geschieht in einem großen wärmeisolierten Tank, einem Pufferspeicher. Dieser Tank fasst i. d. R. mehrere hundert Liter Wasser. Zur Erwärmung zirkuliert nun der Wasserstrom zwischen dem Tank und den Radiatoren bzw. der Fußbodenheizung. Die Wärmepumpe erwärmt das Wasser im Tank.

Verbreitung

Jahr	DE	AT
1995	1.200	5.124
1996	2.300	5.312
1997	3.600	4.957
1998	4.400	4.819
1999	4.800	4.612
2000	5.700	4.795
2001	8.200	5.590
2002	8.300	5.780
2003	9.890	6.935
2004	12.900	7.968
2005	18.900	9.795
2006	44.000	13.180
2007	44.600	15.148
2008	62.500	18.705
2009	54.800	18.138
2010	51.000	16.962
2011	57.000	16.398
2012	59.500	18.861
2013	60.000	19.175
2014	58.000	21.439
2015	57.000	23.014
2016	66.500	22.994
2017	78.000	?
2018	84.000	?
2019	86.000	?
2020	120.000	?

Im Rahmen der Steigerung der Energieeffizienz sowie der Senkung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen spielen Wärmepumpen eine wichtige Rolle in der Energiepolitik der EU. Nicht zuletzt durch Fördermaßnahmen ist ihr Marktanteil im Steigen begriffen. Wichtige Absatzmärkte sind Frankreich, Schweden, Norwegen, Deutschland und Finnland. Im Jahr 2010 wurden in den EU-20 insgesamt gut 750.000 Wärmepumpen installiert, deren Energieeinsparung auf 36,6 TWh beziffert wird.^[41]

Deutschland

Der Marktanteil von Wärmepumpenheizungen im Neubau ist sehr landesspezifisch. In Deutschland nimmt der Anteil von Wärmepumpenheizungen im Neubau seit 2000 von geringen Fluktuationen abgesehen stetig zu. Wurden im Jahr 2000 nur 0,8 % aller Neubauten mit Wärmepumpen beheizt, erreichten Wärmepumpen 2006 mit 11,6 % erstmals einen zweistelligen Anteil. 2010 lag ihr Anteil bereits bei 23,6 %; ein Wert, der die nächsten Jahre einigermaßen stabil blieb, 2014 aber wieder auf 19,9 % zurückging. Anschließend stieg er erneut an und erreichte im Jahr 2020 einen Anteil von 33,5 %. Damit lagen Wärmepumpen unmittelbar hinter Gasheizungen mit 33,8 % und vor Fernwärme mit 25,7 % auf Rang zwei der am häufigsten installierten Heizungstechnologien im Neubau. Im gesamten Heizungsbestand ist ihr Anteil mit 2,6 % aber weiterhin überschaubar.^[42]

Österreich

Insgesamt wurden in Österreich von 1975 bis 2005 190.200 Wärmepumpenanlagen errichtet. Die meisten Wärmepumpen jährlich wurden in den Jahren 1986 und 1987 (mit über 13.000 Wärmepumpen pro Jahr) installiert.

Schweiz

In der Schweiz beträgt der Marktanteil bei Neubauten rund 75 %. Die spez. Kosten für die Heizwärme betragen mit einer Erdwärme nutzenden Wärmepumpe 3,9 Rp/kWh. (etwa 3,2 Cent/kWh), während eine konventionelle Ölheizung mit spez. Kosten von 7,9 Rp./kWh (etwa 6,6 Cent/kWh) zu veranschlagen ist. Eine staatliche Förderung ist somit überflüssig.^[43] Im Jahr 2017 waren Wärmepumpen in 18,4 % der Haushalte installiert. 17,9 % der Haushalte nutzten die Wärmepumpe als Hauptwärmequelle, 0,5 % als Ergänzung.^[44]

Kosten

Direkte Investitionen

Die anfänglichen Investitionen in Wärmepumpenanlagen sind höher als in herkömmliche Kessel, in denen Gas oder Öl verfeuert wird. Dafür entfallen im Neubau Zusatzkosten wie ein Schornsteineinbau. Auch ein Lagerraum für den Brennstoff bei Öl, Pellets oder Holz entfällt.

Wärmepumpenheizungen auf Erdkollektor- bzw. Erdsonden-Basis sind aufgrund ihrer Installation (mehrere Bohrungen bis mind. 50 Meter bzw. großflächiger Bodenaushub) recht kostenintensiv und können wirtschaftlich nur bei einem Neubau Verwendung finden. Speziell Erdkollektoren benötigen relativ große Grundstücke, was in Ballungsgebieten kaum zu verwirklichen ist. Bei kleinen Grundstücksflächen und für den Bestandsbau sind Spiralkollektoren/Erdwärmekörbe eine Alternative, dort zum Beispiel im Zuge einer energetischen Sanierung des alten Gebäudes.

Auch bei Wärmepumpen, die Grundwasser als Energiequelle benutzen, ist der Investitionsaufwand und die Anforderungen an die Grundstücksfläche hoch. In der Regel muss man einen Förderbrunnen und einen Schluckbrunnen (in einem Abstand von mindestens etwa 15 m annähernd in Grundwasserfließrichtung, Tiefe bis ausreichend unter Grundwasserspiegel) sowie die erdverlegte Verbindungsleitung zur Anlage errichten. Die Brunnen werden mit einem Durchmesser von 15 bis 30 cm gebohrt oder bei hohem Grundwasser bis etwa 4 m als Brunnenschacht ausgeführt. Statt des Schluckbrunnens wird auch teilweise nur ein preiswerterer Sickerschacht gebaut, der allerdings die Grundstückswasserhaltung verändert und somit meist nicht zulässig ist. Weiterhin ist eine etwas höhere Pumpleistung der Förderpumpe notwendig, da die Höhenenergie des heraufgepumpten Wassers verloren geht. In einigen Gebieten ist aber die gleichzeitige Nutzung des Grundwassers zur sommerlichen Gartenbewässerung genehmigungsfähig. Die Kosten variieren sehr stark in Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten. Zusätzlich fallen weitere Kosten für ein Bodengutachten und das Genehmigungsverfahren an.

Geringere Investitionskosten fallen bei Systemen an, die auf Luft-Wasser oder Luft-Luft basieren, denn die Kosten für Anschaffung sowie Installation sind deutlich geringer. Allerdings ist bei Luft-Wasser- oder Luft-Luft-Systemen mit einer erheblich schlechteren Leistungszahl im Winter zu rechnen, wodurch die Betriebskosten höher ausfallen als mit Erdsystemen. Daher eignet sich eine Luft-Wasser-Wärmepumpe gut zum bivalenten Betrieb mit einem bestehenden fossilen Heizsystem, das Spitzenlast und sehr niedrige Außentemperaturen abdeckt.

Als weitere Investition ist bei der Verwendung des günstigeren Heizstroms die Installation eines zweiten Stromzählers zu berücksichtigen, was bei Bestandsgebäuden eine Erweiterung des Stromkastens zur Folge haben kann.

Betriebskosten

Folgende Teile dieses Abschnitts scheinen seit 2019 nicht mehr aktuell zu sein: Kennzahlen bitte erneuern, CO2-Bepreisung durch BEHG ergänzen!
Bitte hilf mit, die fehlenden Informationen zu recherchieren und einzufügen.

Heizöl

Ein Liter Heizöl kostet derzeit (Stand 19. Oktober 2016) um 50 Cent und beinhaltet etwa 9 bis 10 kWh thermisch nutzbare Energie. Somit ergibt sich ein Preis von etwa 5 bis 6 Cent/kWh für Öl. Öl-Brennwertthermen weisen im Betrieb gemittelte Wirkungsgrade von etwa 90 % auf. Damit ergibt sich für die Erzeugung der Nutzwärme ein Preis von 5,6 bis 6,6 Cent/kWh Wärme. Nicht inbegriffen ist der Energiebedarf der zum Ölbrenner gehörigen Verdichtungspumpe sowie des Gebläses, das das zerstäubte Öl mit Luft mischt.

Erdgas

Der Brennstoffpreis für Erdgas betrug im September 2014 bei 20.000 kWh/a Jahresbedarf umgerechnet 5 ct je kWh. Allerdings benötigen Gas-Brennwertheizungen mit auf den Heizwert bezogenen Wirkungsgraden von über 100 % laut einer Öko-Institut-Studie^[45] dennoch 1,114 kWh Primärenergie pro kWh Nutzenergie. Inbegriffen ist dann ebenfalls der Strom, der zusätzlich für das Abgasgebläse benötigt wird. Sie verursachen daher Kosten in Höhe von etwa 5,6 Cent/kWh Nutzwärme.

Niedertarifstrom

Bei einem derzeitigen Brutto-Strompreis von 22,51 Cent/kWh (Wärmepumpenstromtarif, Stand 04/2013, inkl. aller Steuern und Abgaben) und einer Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpenheizung von im besten Fall 4,0 kostet die Erzeugung der Nutzwärme mittels Luft-Wasser-Wärmepumpe günstigstenfalls 5,6 Eurocent/kWh (brutto). Weiterhin gibt es Variable Tarife, die u. a. in Abhängigkeit vom aktuellen Stromangebot variieren. Seit Ende 2010 muss jeder Stromanbieter in Deutschland einen solchen Tarif führen. Durch eigengenutzten Photovoltaik-Strom (Stromgestehungskosten ca. 12 ct/kWh (6/2014)) können die Betriebskosten weiter reduziert werden.

Die Kosten für den Schornsteinfeger entfallen, wenn kein zusätzlicher Kachelofen o. ä. vorhanden ist.

Der vom Stromversorger angebotene Wärmepumpentarif ist erheblich günstiger als der verwendete Haushaltstarif. Bei wirtschaftlicher Betrachtung müssen die höheren Investitionskosten der Wärmepumpe gegenüber einem Öl- oder Gasbrenner, der angebotene Strompreis für Wärmepumpe und dessen Laufzeiten und die Leistungszahl der Wärmepumpe wie bei jeder Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt werden.

Risiken

Insbesondere die Gewinnung von Erdwärme über Geothermiebohrungen ist mit Risiken behaftet. In Staufen im Breisgau kam es nach Bohrungen für Erdwärmepumpen in den Jahren 2006 und 2007 zu starken Bodenhebungen im historischen Ortskern. Gebäude bekamen Hebungsrisse. Die geschätzte Schadenshöhe sind 50 Mio. Euro. Einige der Bohrungen hatten eine Verbindung zwischen der Grundwasserschicht und der Gipskeuperschicht hergestellt. Beim Eindringen des Wassers in den die Gipskeuperschicht eingelagerten Anhydrit erfolgte eine chemische Reaktion und es entstand Gips. Dies geht mit einer deutlichen Volumenzunahme einher. In der Stadtmitte hob sich der Boden. Ähnliche Fälle traten in Böblingen, Kamen, Rudersberg^[46] und Schorndorf^[47] auf. Nicht immer hob sich der Boden, teilweise lösten die Bohrungen auch eine Absenkung des Untergrunds aus.^[48] Geothermiebohrungen in Basel wurden wegen unerwartet starker, durch die Bohrungen ausgelöster Erdbeben abgebrochen.

Volkswirtschaftliche Bedeutung

Gas- und Ölheizungen bringen aus volkswirtschaftlicher Sicht eine Abhängigkeit vom Ausland, da über 90 % des deutschen Erdgas- und Mineralölverbrauchs importiert werden muss. Zudem sind diese Ressourcen endlich und von zum Teil drastischen Preisschwankungen betroffen. Je nach Leistungszahl der Wärmepumpe sowie Wirkungsgrad und Brennstoff des Grenzkraftwerks verlagert sich der Verbrauch von Heizöl oder Erdgas von der Hausfeuerung hin zu Stein- oder Braunkohle in fossil befeuerten Wärmekraftwerken. Dies reduziert die Abhängigkeit vom Import teurer Energierohstoffe wie Erdöl und Erdgas. Mit zunehmendem Anteil erneuerbaren Energien (Anteil am Strommix 2017: 36 %^[49]) sowie dem Bau effizienterer konventioneller Kraftwerke sinkt die Abhängigkeit von Energieimporten auch im Wärmesektor weiter ab.

Darüber hinaus kam eine Studie im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums zu dem Ergebnis, dass Wärmepumpenheizungen zur besseren Netzintegration der Erneuerbaren Energien, insbesondere von Windenergie, sowie zum dezentralen Lastmanagement im Strommarkt beitragen können.^[50] Mit netzdienlichem Betrieb von Wärmepumpen könnte die Netzintegration von fluktuierenden Einspeisern volkswirtschaftlich günstiger gestaltet werden.

In Verbindung mit Photovoltaikanlagen

Im Zusammenspiel mit Photovoltaik am Gebäude kann eine eigene regenerative Energieversorgung bis hin zu einer negativen Jahresenergiebilanz – also einem Stromüberschuss – erreicht werden^[51]. Ein autarker Gebäudebetrieb ist damit noch nicht möglich. Im praktischen Betrieb, muss der saisonale Unterschied bei der Stromerzeugung aus Photovoltaik berücksichtigt werden. Insbesondere an kalten und dunklen Wintertagen erzeugen übliche Photovoltaikanlagen von Wohngebäuden nicht genug Energie, um den Tagesbedarf von Haushalt und Wärmepumpe zu decken. In dieser Zeit muss Strom für den Betrieb der Wärmepumpe aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Ein geringer Tag-Nacht-Ausgleich kann mittels Speicherung erreicht werden.^[52]

Eine Alternative zur Speicherung von Solarstrom in Solarbatterien besteht in der Speicherung der Energie in Wärmespeichern. Dazu wird Solarstrom z. B. mit einer Wärmepumpe verwertet, um Wasser zu erhitzen, welches in einem Wärmespeicher (ähnlich einer Isolierkanne) zwischengepuffert wird. Die so gespeicherte thermische Energie wird anschließend nicht in elektrische Energie zurückverwandelt, sondern je nach Gestaltung des Heizsystems zur Heizung oder zur Warmwasserbereitung genutzt. Mit dem Verfall der PV-Modulpreise ist solch ein System oft kostengünstiger als eine Solarthermieanlage und bietet die Flexibilität, sowohl elektrische als auch thermische Energie nutzen zu können.

Siehe auch

Weblinks

Bundesverband WärmePumpe (BWP) e. V.
Wärmepumpen-Marktplatz NRW (Energieagentur NRW)
Stiftung Warentest: Test von Wärmepumpenheizungen
Der BUND zu Wärmepumpenheizungen (PDF, April 2008; 248 kB)
E-Book Ihr Wärmepumpen-Buch (82 Seiten; PDF; 10. Februar 2016; 7,3 MB)

Literatur

Valentin Crastan: Elektrische Energieversorgung 2, Berlin – Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-19855-7.
Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung Klimatechnik. ISBN 3-486-26214-9.
Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 4. Auflage. Hanser, München 2018, ISBN 978-3-446-45703-4.

Quelle: Seite „Wärmepumpenheizung“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 15. Juli 2021, 12:41 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=W%C3%A4rmepumpenheizung&oldid=213902996 (Abgerufen: 22. Juli 2021, 09:04 UTC)

Erdsonden: Günstige Energie aus dem Inneren der Erde

Umweltfreundlich heizen

Geothermie ist aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen eine sehr attraktive, alternative Heiztechnik. Lesen Sie bei Effizienzhaus-online, unter welchen Voraussetzungen eine Erdwärmepumpe mit Erdsonde die höchste Effizienz erreicht, und worauf Sie bei der Planung besonders achten müssen!

Zuverlässige Energiequelle für Geothermie

Eine Erdsonde ist die effektivste Möglichkeit, um die Energie zu gewinnen, die von einer Erdwärmepumpe für Heizung und Warmwasserbereitung nutzbar gemacht wird. Die Temperaturen im Erdinneren liegen konstant bei 10 Grad und mehr. Das macht Erdsonden zu zuverlässigen Energiequellen und zur Basis für eine witterungsunabhängige, leistungsfähige Heizung.

Technik und Aufbau

Als Erdsonde bezeichnen wir lange Doppelrohre aus hochbeständigem Polyethylen, die in tiefe Erdbohrungen eingebracht werden. Sie bilden ein geschlossenes System, in dem eine Sole (Wasser-Salz-Gemisch) oder eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel (Glykol) als Trägerflüssigkeit zirkuliert.
Die Sole nimmt in der Tiefe die Wärmeenergie des Bodens auf und übergibt sie auf der anderen Seite des Kreislaufs an die Wärmepumpe. Die eigentliche Heizanlage funktioniert nach dem Prinzip einer „rückwärts laufenden Kältemaschine“. Die Wärmeenergie wird über den Verdampfer auf ein Kältemittel übertragen, das dabei gasförmig wird. Unter Einsatz elektrischer Energie wird das durch den Kompressor verdichtet, wobei sich Temperatur und Druck erhöhen. Am Wärmetauscher wird dann die gewünschte Temperatur an das Heizsystem abgegeben.

Vorteile von Erdsonden und Erdwärmepumpen

hoher COP von 4 und mehr
niedrige Betriebskosten
unabhängig von fossilen Energieträgern
geeignet für monovalenten Betrieb
lange Lebensdauer
robuste und einfach zu wartende Technik
passive Kühlung möglich
geringer Platzbedarf

Nachteile von Wärmepumpen mit Erdsonde

hohe Anfangsinvestition
hoher Planungsaufwand
Vereisung und sinkende Effizienz bei zu hoher Entnahme durch steigenden Bedarf oder Planungsmangel

Worauf Sie bei der Planung von Erdsonden achten müssen

Vor der Berechnung der notwendigen Sondentiefe, muss die Art und Stärke der vorkommenden Bodenschichten bekannt sein. Luft- und Wasserblasen senken die Effizienz. Verschiedene Gesteine und Sedimente erlauben außerdem eine unterschiedlich hohe Entzugsleistung. Sie reicht von 30 Watt pro Meter bei trockenen Sedimentböden über 50 Watt pro Meter in Festgestein bis zu 65 Watt pro Meter in wassergesättigtem Kies und Sand.
Es ist sehr wichtig, dass eine Erdsonde richtig dimensioniert ist. Ist sie zu klein, wird bei hohem Heizbedarf zu viel Wärme entnommen. Dann kann der Boden vereisen, was die Effizienz deutlich senkt.
Für die Installation von Erdsonden müssen je nach Region unterschiedliche Genehmigungen vorliegen. Neben der Baugenehmigung spielt auch der Gewässerschutz eine wichtige Rolle. Im Vorfeld sollten Sie sich daher genau über örtliche Gegebenheiten und rechtliche Voraussetzungen informieren.

Wie tief können Erdsonden sein?

Während Tiefengeothermie bis zu 1000 Meter unter die Erdoberfläche reichen kann, beschränkt sich die Tiefe von Erdsonden für einfache Wohnhäuser in der Regel auf bis zu 100 Meter. Für tiefere Bohrungen wären zusätzliche Genehmigungen notwendig. Bei 15 Meter liegt die Temperatur schon konstant bei 10 Grad und der Boden wird mit zunehmender Tiefe wärmer. Die Steigung beträgt etwa 1 Grad auf 30 Meter. Für Gesamtlängen von über 100 Metern wird die berechnete Sondenlänge gleichmäßig auf mehrere Bohrungen aufgeteilt.

Wie viel kostet eine Erdsonde?

Die Bohrung der Erdsonde gehört zu den Faktoren, die Erdwärme in der Anschaffung vergleichsweise teuer machen. Mit 50 EUR pro Meter sollten Bauherren rechnen.
Für eine typische Erdsondenanlage für eine Heizlast von 10 kW kann die Erdsonde allein rund 11.000 Euro kosten. Enthalten sind neben den Bohrungen und dem Sondeneinbau auch Kosten für die Entsorgung des Erdaushubs, die Befüllung mit Kühlmittel und die Verteilung bis zur Übergabe im Hausanschlussraum.
Dazu kommt der Preis für die Erdwärmepumpe mit ca. 5.000 Euro. Außerdem die Kosten für die Installation, die zwischen 2.000 und 3.000 Euro betragen können.

Hohe staatliche Förderung für Geothermie

Das BAFA stellt hohe Fördersummen für Geothermie in Aussicht. Voraussetzung ist eine JAZ von mindesten 3,8. Dann haben Sie Anspruch auf 4.500 Euro Basisförderung. Zusätzlich warten 2.250 Euro Effizienzbonus bei einer hocheffizienten Anlage mit einer JAZ von 4,5 und mehr. Außerdem sind weitere Boni zum Beispiel für die Kombination mit einer Solaranlage möglich.

Quelle: https://www.effizienzhaus-online.de/erdsonden geladen am 18.08.2021

Reversible Wärmepumpe

Diese Wärmepumpe kann nicht nur Heizen sondern auch Kühlen

Eine reversible Wärmepumpe kann nicht nur heizen: Bei Bedarf schaltet sie auch in den Kühlbetrieb um. Durch Heizflächen wie die Fußbodenheizung strömt dabei kaltes Wasser, das Wärme aus dem Haus aufnimmt. Die Wärmepumpe nutzt den integrierten Prozess dann genau wie ein Kühlschrank oder ein Klimagerät, um thermische Energie an die Umgebung abgeben zu können. Hausbesitzer müssen somit nur ein System zum Heizen und Kühlen installieren. Sie profitieren von geringeren Anschaffungskosten und einem deutlich höheren Wohnkomfort.

Aktive Kühlung durch Umkehrung des Wärmepumpenkreislaufs

Der technische Prozess im Inneren einer Wärmepumpe läuft immer gleich ab: Ein Kältemittel nimmt Wärme auf. Es verdampft und wird anschließend von einem Kompressor komprimiert. Mit dem Druck steigt die Temperatur, wodurch sich die mitgeführte Wärme auf das Heizsystem übertragen lässt. Das Kältemittel kühlt sich dabei ab. Es strömt über ein Entspannungsventil und nimmt seinen Ausgangszustand wieder ein, sodass der Vorgang von vorn beginnen kann.

Bei einer reversiblen Wärmepumpe lässt sich die Fließrichtung des Kältemittels mit einem Vierwegeventil und einem zusätzlichen Entspannungsventil umkehren. Das Kältemittel nimmt Wärme dann vom Heizsystem auf, um diese an ein anderes System abzugeben.

Sole-, Wasser- und Luftwärmepumpen arbeiten reversibel

Umsetzen lässt sich das Konzept der reversiblen Wärmepumpe mit Luft-, Wasser- und Sole-Wasser-Systemen. Während Erstere Wärme an die Umgebung abgeben, übertragen Sole-Wasser-Wärmepumpen thermische Energie an das Erdreich. Sie heben die Bodentemperatur im Sommer an und schaffen ein Wärmereservoir für den Winter. In der Heizperiode verbrauchen die Erdwärmepumpen weniger Strom, wodurch die Heizkosten sinken.

Flächenheizung als kombinierte Heiz- und Kühlfläche

Im Haus setzt die reversible Wärmepumpe große Heizflächen voraus. Denn durch diese leitet sie kaltes Wasser, um Wärme aus den Räumen aufzunehmen. Damit es dabei nicht zur Kondensation kommt, darf die Oberflächentemperatur nie unter einen Mindestwert absinken. Experten empfehlen, eine Mindesttemperatur von 18 bis 20 Grad Celsius einzustellen. Sicherer ist ein Taupunktsensor. Das Bauteil überwacht die Lufttemperatur und die relative Luftfeuchte, sodass es die Vorlauftemperatur der reversiblen Wärmepumpe automatisch begrenzen kann. Die maximale Kühlleistung der Systeme liegt dadurch bei etwa 20 bis 30 Watt pro Quadratmeter.

Quelle: https://www.effizienzhaus-online.de/lexikon/reversible-waermepumpe geladen am 19.08.2021

Erdwärmepumpe (Sole Wasser Wärmepumpe): umweltfreundlich und effizient heizen

Erneuerbare Energien nutzen & Heizkosten sparen

Als Erdwärmepumpen – auch Sole Wasser Wärmepumpe oder Sole Wärmepumpe genannt – werden Wärmepumpen bezeichnet, die dem Boden Wärme entziehen und diese an die Heizung abgeben. Sie finden vor allem im Neubau aufgrund niedriger Betriebskosten und hoher Umweltfreundlichkeit immer mehr Verbreitung.

Erdwärmepumpe: So funktioniert sie

Die Wärme aus dem Boden wird entweder mittels Erdwärmekollektoren (Verlegung unter der Erdoberfläche) oder Erdwärmesonden (Erdbohrung) erschlossen.

Bei der Wärmegewinnung über Erdkollektoren werden in der Erde in einer Tiefe von 1,20 – 1,50 m in mehreren Schleifen verlegt. Dies ist besonders sinnvoll im Neubau, da hier die Verlegung in der offenen Baugrube erfolgen kann.

Bei einer oder mehreren Erdbohrung(en) von je 50-100 m kann man ganzjährig hohe Quellentemperaturen von ca. 10°C nutzen. Dafür ist allerdings eine Genehmigung und ein entsprechender Platz für eine Erdbohrung erforderlich und es müssen je Bundesland spezielle Anforderungen für das Bohren berücksichtigt werden.

Foto: Bosch Thermotechnik

Wärmepumpenkreislauf: Heizen mit kostenloser Energie

Die Erdwärmepumpe oder auch Erdwärmeheizung funktioniert nach dem selben Prinzip wie ein Kühlschrank: Ein Kältemittel nimmt durch Verdampfen bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aus dem Erdreich auf und gibt sie durch Verflüssigen bei höherer Temperatur und höherem Druck an das Heizungswasser ab. Die so entstandene Heizwärme besteht zu ca. drei Vierteln aus kostenloser Umweltwärme und nur zu ca. einem Viertel aus elektrischer Energie für den Kompressor. Erdwärmepumpen oder auch Sole Wärmepumpen arbeiten durch die ganzjährig nahezu konstanten Bodentemperaturen hocheffizient und decken vollständig den Wärme- und Warmwasserbedarf Ihres Haus. Außerdem heizen Sie so nahezu emissionsfrei. Wenn Sie die Wärmepumpe mit einer Photovoltaik Anlage kombinieren und neben Ihrem eigenen Solarstrom nur Ökostrom beziehen, haben Sie Ihre eigene Energiewende hin zu Erneuerbaren Energien bereits abgeschlossen.

Foto: Bosch Thermotechnik

Video: Geothermie anschaulich erklärt

Ein Bild sagt mehr als 1.000 Worte: In folgendem Video wird das Funktionsprinzip einer Erdwärmepumpe schnell und einfach für Sie erklärt. https://www.youtube.com/embed/zfNBROomh0Q

Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien e.V.

Vorteile und Nachteile von Erdwärmepumpen

Vorteile einer Erdwärmepumpe:

Niedrigste Heizkosten durch Einbindung kostenloser Umweltenergie auf der einen Seeite und günstige Stromtarife für Wärmepumpenstrom auf der anderen.
Der Wirkungsgrad COP (Coefficient of Performance) liegt zwischen 4 und 5 (entspricht 400 – 500 % Wirkungsgrad)
Umweltfreundlich Heizen mit Geothermie: Schonung fossiler Brennstoffe, deutliche Reduzierung von CO2-Emissionen
Kein Gas, Öl und keine Emissionen im Haus, kein Schornstein notwendig (Details zur Umstellung finden Sie hier: Umstellung von Öl- oder Gasheizung auf Wärmepumpe)

Nachteile einer Erdwärmepumpe:

Niedrige Heiztemperaturen erforderlich, Flächenheizung (z.B. Fußbodenheizung) und gute Dämmung notwendig
Effizienz von der Bodenbeschaffenheit abhängig
Bei speziellen Wärmepumpentarifen sind Pufferspeicher einzuplanen
Hoher Aufwand zur Erschließung der Wärmequellen:

1. Erdkollektor: Flächenbedarf rund doppelt so große Kollektorenfläche wie Wohnfläche

2. Erdsonden-Bohrung: teuer und aufwendige Genehmigung

Kosten einer Erdwärmepumpe

Durch die stetigen Preissteigerungen bei den fossilen Energieträgern werden Heizsysteme aus erneuerbaren Energien immer interessanter. Außerdem wird der Umstieg auf Erneuerbare Energien durch BAfA und KfW stark gefördert. Eine Erdwärmepumpe nutzt die kostenlose Umgebungswärme aus der Erde. Neben den reinen Gerätekosten kommen auch die Kosten zur Erschließung der Wärmequelle hinzu.

Besonders bei den Kosten für die Erschließung ist ein sehr großer Preisrahmen möglich, der von den örtlichen Gegebenheiten und von der Benutzung von Erdkollektoren oder Sonden-Bohrung abhängt. Sonden-Bohrung ist deutlich teurer als das Vergraben von Erdkollektoren, letzteres braucht aber eine sehr große Fläche um effizient arbeiten zu können.

Mit diesen Kosten können Sie rechnen:

Strombetriebene Erdwärmepumpe als Komplettanlage	Kosten Produkt (je nach Leistungsgröße)	Kosten Erschließung*
mit Bohrung	ca. 8.000 – 16.000 €	ca. 8.000 – 20.000€
mit Erdkollektoren	ca. 8.000 – 16.000 €	ca. 3.000 – 8.000€

*Erschließungskosten:
Bei einer Sole Wasser Wärmepumpe (Erdwärmepumpe) kommen noch die Kosten für die Wärmequellen-Erschließung also die Kosten für Geothermie hinzu. Dabei muss man sich entscheiden, ob eine Bohrung oder – bei genügend Grundstücksfläche der Einbau von Erdkollektoren sinnvoll ist.

Je nach Bohrtiefe (zwischen 50 m und 100 m) und der geographischen Bodenbeschaffenheit differieren die Bohrkosten je nach den Gegebenheiten vor Ort von 8.000 bis zu 20.000 EUR. Die Kosten für die Variante mit Erdkollektoren sind mit 3.000 bis 8.000 Euro deutlich preiswerter.

Wärmepumpen arbeiten höchst effizient, am besten in Verbindung mit einer Fußbodenheizung und einem gut gedämmten Haus.

Bei der Heizungssanierung im Altbau könnten hierfür also weitere Kosten anfallen.
Die Anschaffungskosten einer Erdwärmepumpe sind also relativ hoch aber durch einen sehr niedrigen Verbrauch und damit geringen Betriebskosten ist die Nutzung der Geothermie mit einer Erdwärmepumpe eine sinnvolle Alternative.

Weitere Kosten für Erdwärmepumpen:

Stromkosten je nach Tarif ca. 400 € im Jahr
Einmaligen Kosten für einen Stromzähler oder jährliche Grundgebühr für den Zähler
Zusätzlich zum normalen Stromzähler für den Haushaltsstrom, empfiehlt es sich einen separaten Zähler für die Erdwärmepumpe zu installieren, da es für diese oft günstigere Tarife gibt.

Zusätzliches Plus: Es entstehen keine Kosten für die Wartung, da die Sole Wasser Wärmepumpe nicht gewartet werden muss und in der Regel eine Lebensdauer von durchschnittlich 20 Jahren zu erwarten ist.

Förderung einer Erdwärmepumpe

Mit der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) strukturiert der Staat die Förderkulisse in Deutschland neu. Wer sich bei der Sanierung für eine neue Wärmepumpe entscheidet, bekommt dabei Zuschüsse in Höhe von 35 bis zu 50 Prozent, sofern diese die hohen technischen Anforderungen erfüllt.

Arbeitet die Wärmepumpe noch zuverlässig? Dann bekommen Hausbesitzer über die BEG-Förderung Zuschüsse oder steuerliche Vergünstigungen für die Heizungsoptimierung.

Darauf sollten Sie bei der Sanierung mit einer Erdwärmepumpe achten

Je geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizkreis ist, desto höher die Effizienz. Deshalb sollten Wärmepumpenanlagen nur mit Flächenheizung (z.B. Fußbodenheizung) betrieben werden. Anwendungen im Altbau sind dadurch nur mit größerem Aufwand umsetzbar (Achtung Fußbodenhöhe!).
Vergünstigte Stromtarife einiger Energieversorger bedingen Sperrzeiten (optionales 1-4 stündiges Abschalten pro Tag), deshalb Heizungs-Pufferspeicher ratsam (Kosten, Platzbedarf!)
Zur Nachheizung und schnellen Aufheizung des Warmwassers wird zusätzlich ein Elektroheizstab genutzt (zusätzlicher Strombedarf!)
Erdbohrung: Bodenbeschaffenheit und Länderspezifische Vorschriften sind zu beachten; Bohrungen sind genehmigungspflichtig (nach Wasserhaushaltsgesetz, Bundesbergbaugesetz und weitere), mind. 2 Monate für Genehmigungsweg einplanen
Mindestjahresarbeitszahlen JAZ=4,0 (3,8 inkl. Warmwasserbereitung) sind einzuhalten (das bedingt hohe Anforderungen an Auslegung, Installation, Regelung und Systemauswahl)

Alternativen zur Erdwärmepumpe

Neben einer Erdwärmepumpe kann auch der Einbau einer Luftwärmepumpe sinnvoll sein, wenn nicht genügend Grundstücksfläche für die Installation von Erdkollektoren zur Verfügung steht oder eine Bohrung zu teuer und aufwendig ist.

Quelle: https://www.effizienzhaus-online.de/erdwaermepumpe geladen am 19.08.2021

So viel Strom verbraucht Ihre Wärmepumpe

Stromverbrauch von Wärmepumpen unterschiedlich je nach Wärmequelle

Wärmepumpen nutzen die zur Verfügung stehende Wärmeenergie aus Luft, Wasser oder dem Erdreich. Hierbei stellen moderne Wärmepumpen bis zu 80 Prozent kostenlose Umweltenergie zur Verfügung und benötigen dazu lediglich 20 Prozent Strom als Antriebsenergie. Allerdings unterscheiden sich Wärmepumpen, je nach angezapfter Wärmequelle und den Gegebenheiten vor Ort, in ihrem Stromverbrauch und damit in den Kosten für den laufenden Betrieb.

Generell haben Erd-Wärmepumpen und Wasser-Wärmepumpen einen niedrigeren Stromverbrauch als Luft-Wärmepumpen, die gerade bei kalten Außentemperaturen mehr Strom verbrauchen, um die benötigte Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen. Wer über eine Neuanschaffung einer Wärmepumpe nachdenkt, sollte deshalb neben den reinen Anschaffungskosten auch den Stromverbrauch als Kaufkriterium mit einbeziehen. Überschlägig lassen sich die Stromverbrauchskosten einer Wärmepumpe mit folgenden Kennzahlen wie folgt berechnen:

Heizleistung/(Jahresarbeitszahl JAZ) x Heizstunden x Wärmepumpentarif
= Stromkosten der Wärmepumpe pro Jahr

Beispiel für eine Luftwärmepumpe:
Heizleistung 6 kW /JAZ 2,8 x 2.000 Betriebsstunden x 21 Cent Wärmepumpentarif
= 900 Euro Stromkosten pro Jahr

Beispielrechnung Stromverbrauch und Stromkosten für eine Wärmepumpe

Allerdings liegen dem Laien diese Kennzahlen meist nicht vor, um den Stromverbrauch einer Wärmepumpe überschlägig berechnen zu können. Die einzige bekannte Kenngröße ist oft der Energieverbrauch des Hauses. Unser Beispielhaus hat einen jährlichen Verbrauch an Erdgas von 10.000 kWh mit dem sowohl das Heizungswasser als auch das Warmwasser für Bad und Küche erwärmt wird. Da beide Bereiche unterschiedlich heißes Wasser benötigen, ist natürlich auch der Energiebedarf zum Erhitzen unterschiedlich. In unserem Beispiel gehen wir davon aus, dass 60 Prozent des Stromverbrauchs für Heizung und 40 Prozent für Warmwasser aufgewendet wird.

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe beschreibt das Verhältnis der über ein Jahr von der Wärmepumpe ans Heiznetz abgegebenen Energie zu der in diesem Zeitraum aufgenommenen elektrischen Energie. Die JAZ gilt für die gesamte Heizungsanlage, bei der die Heizflächen samt benötigten Temperaturen, das Warmwasser (falls von der Wärmepumpe erwärmt) und das Benutzerverhalten bis hin zu den klimatischen Verhältnissen mit einfließen. Die JAZ ist der entscheidende Kennwert bei Wärmepumpen. Um den Stromverbrauch errechnen zu können, nehmen wir folgende JAZ als Richtwerte:

Wärmepumpen-Typ	JAZ für Heizung	JAZ für Warmwasser
Luftwärmepumpe	2,8	2,4
Erdwärmepumpe	4,0	3,8
Wasser-Wärmepumpe	4,8	4,5

Stromverbrauch für Wärmepumpen

Nimmt man eine Heizleistung von 10.000 kWh pro Jahr an, dann ergeben sich folgende Stromverbräuche je Wärmepumpe:

Wärmepumpen-Typ	Wärmeenergie für Heizung	JAZ für Heizung	Stromverbrauch Wärmepumpe für Heizung	Wärmeenergie für Warmwasser	JAZ für Warm- wasser	Stromverbrauch Wärmepumpe für Warmwasser	Stromverbrauch Wärmepumpe gesamt (Heizung+Warmwasser)
Luftwärmepumpe	6.000 kWh	2,8	2.143 kWh (= 6.000 kWh/ 2,8)	4.000 kWh	2,4	1.666 kWh (= 4.000 kWh/ 2,4)	3809 kWh (= 2143 kWh + 1666 kWh)
Erdwärmepumpe	6.000 kWh	4,0	1.500 kWh (= 6.000 kWh/ 4,0)	4.000 kWh	3,8	1.052 kWh (= 4.000 kWh/ 3,8)	2552 kWh (= 1.500 kWh + 1.052 kWh)
Wasser-Wärmepumpe	6.000 kWh	4,8	1.250 kWh (= 6.000 kWh/ 4,8)	4.000 kWh	4,5	888 kWh (= 4.000 kWh/ 4,5)	2138 kWh (= 1.250 kWh + 888 kWh)

Stromkosten für Wärmepumpen

Um die Stromkosten der Wärmepumpen zu ermitteln gilt es den gesamten Stromverbrauch pro Jahr mit den Stromkosten des Versorgers (meist Wärmepumpentarif) zu multiplizieren. Bei einem angenommenen Stromtarif von 21 Cent pro kWh ergeben sich folgende Stromkosten für die unterschiedlichen Wärmepumpentypen (bei einer jährlichen Heizleistung von 10.000 kWh pro Jahr):

Wärmepumpen-Typ	Stromverbrauch gesamt	Stromkosten gesamt pro Jahr (Stromtarif: 0,21 € pro kWh)
Luftwärmepumpe	3.809 kWh (= 2.143 kWh + 1.666 kWh)	800 € (= 3.809 kWh x 0,21€)
Erdwärmepumpe	2.552 kWh (= 1.500 kWh + 1.052 kWh)	535 € (= 2.552 kWh x 0,21€)
Wasser-Wärmepumpe	2.138 kWh (= 1.250 kWh + 888 kWh)	448 € (= 2.138 kWh x 0,21€)

Die Werte für Stromverbrauch und Stromkosten können natürlich je nach gewähltem Wärmepumpen-Typ und Hersteller sowie den Gegebenheiten vor Ort variieren.

Stromverbrauch über eigenen Stromzähler messen

Wer eine Wärmepumpe schon in Betrieb hat, kann seinen Stromverbrauch genau nachmessen. Meistens wird der Strom für die Wärmepumpe zu einem günstigeren Tarif angeboten als der Strom für den Haushalt. Deshalb wird der Stromverbrauch über einen separaten Stromzähler und die Wärmeabgabe über einen separaten Wärmemengenzähler erfasst. Liegen diese Werte für zwölf Monate vor, dann ergibt die Wärmeerzeugung pro Jahr dividiert durch den Stromverbrauch pro Jahr die Jahresarbeitszahl (JAZ). Liegt der ermittelte Wert unter den folgenden Richtwerten, dann besteht Prüfungsbedarf. Folgende JAZ kann man als Richtwerte annehmen:

Wärmepumpen-Typ	JAZ für Heizung	JAZ für Warmwasser
Luftwärmepumpe	2,8	2,4
Erdwärmepumpe	4,0	3,8
Wasser-Wärmepumpe	4,8	4,5

Weitere Informationen zu Wärmepumpen

Sie möchten wissen, wie eine Wärmepumpe funktioniert?

Quelle: Bosch Thermotechnik GmbH
Foto: Stockfotos-MG – Fotolia.com

Quelle: https://www.effizienzhaus-online.de/stromverbrauch-waermepumpe geladen am 19.08.2021

Reale Stromkosten

Wir haben 2002 mit der Firma Dennert aus Schlüsselfeld ein Icon 4 Haus gebaut.

Wir waren die ersten, die die Abluft-Wärmepumpe der Firma Nibe erhalten haben.

Nun, 19 Jahre später, habe ich mir die Arbeit gemacht und eine sehr detaillierte Auswertung meiner Heizkosten erstellt:

Jahr/Posten	Haushaltsstrom ET kWh	Haushaltsstrom ET €/kWh netto excl. EEG etc. (Tarif 700)	Umlagen netto z. B. EEG etc.	Grundpreis netto	Bruttobetrag ET mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Haushaltsstromtarif Ct/kWh brutto ET mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Heizung HT kWh	Heizstrom HT €/kWh netto excl. EEG etc. (Tarif 730)	Umlagen netto z. B. EEG etc.	Grundpreis netto	Bruttobetrag HT mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Strompreis HT Ct/kWh brutto HT mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Heizung NT kWh	Heizstrom NT €/kWh netto excl. EEG etc. (Tarif 732)	Umlagen netto z. B. EEG etc.	Grundpreis netto	Bruttobetrag NT mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Strompreis NT Ct/kWh brutto NT mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Heizung kWh gesamt	Heizkosten gesamt brutto mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Heizstromtarif gemittelt aus HT und NT Ct/kWh brutto mit 19 % dt. MwSt., EEG etc. und Grundpreis	Strom Gesamtverbrauch kWh	Abrechnung Strom brutto	Bemerkung
2002	703	0,119000		15,08	117,50	0,167137	2463	0,086600	0,000000	15,08	271,77	0,110340	1650	0,062600	0,000000	15,08	140,86	0,085370	4113	412,63	0,097855	4816	503,31	Kein vollständiges Jahr. Einzug 10/2002. Bautrockner.
2003	3032	0,093950	0,027900	73,20	526,75	0,173731	6851	0,063700	0,027900	59,04	817,04	0,119259	3766	0,039800	0,027900	59,04	373,66	0,099219	10617	1190,70	0,109239	13649	1590,09	16 % MwSt., Tarif 700 gemittelt
2004	2846	0,097800	0,031280	73,20	524,27	0,184212	4909	0,070200	0,031280	21,87	618,84	0,126063	3000	0,047300	0,031280	21,87	306,56	0,102185	7909	925,40	0,114124	10755	1374,19	16 % MwSt., Tarif 700 gemittelt
2005	3280	0,097640	0,030060	73,20	585,55	0,178520	4549	0,070700	0,030060	21,87	571,47	0,125626	3400	0,047800	0,030060	21,87	341,05	0,100308	7949	912,52	0,112967	11229	1463,59	16 % MwSt., Tarif HT und NT gemittelt
2006	3313	0,107490	0,030810	73,20	632,35	0,190870	4270	0,075550	0,030810	21,87	566,47	0,132663	4082	0,052650	0,030810	21,87	431,44	0,105693	8352	997,91	0,119178	11665	1601,96
2007	3090	0,107490	0,030810	73,20	595,65	0,192767	3429	0,078200	0,030810	49,20	503,36	0,146796	3103	0,055300	0,030810	49,20	376,52	0,121339	6532	879,88	0,134068	9622	1475,53
2008	3422	0,118900	0,034800	73,20	713,00	0,208358	4362	0,094300	0,034800	49,20	728,68	0,167051	4078	0,065000	0,034800	49,20	542,86	0,133119	8440	1271,54	0,150085	11862	1984,54
2009	3080	0,130800	0,039030	75,60	712,42	0,231307	4608	0,114300	0,039030	49,20	899,34	0,195168	4398	0,085000	0,039030	49,20	707,67	0,160908	9006	1607,01	0,178038	12086	1674,63	Vattenfall 1.5.2009 bis 30.04.2010 gesamt 760,10
2010	3000	0,130800	0,039030	75,60	696,26	0,232086	4990	0,112650	0,039030	27,42	933,32	0,187038	4781	0,083350	0,039030	27,42	728,90	0,152457	9771	1662,22	0,169748	12771	1934,13	Vattenfall 1.5.2009 bis 30.04.2010 gesamt 760,10, 3000 für ET geschätzt
2011	3247	0,124700	0,056100	73,20	785,71	0,241979	5540	0,106700	0,056100	28,50	1107,19	0,199854	5091	0,072100	0,056100	28,50	810,59	0,159220	10631	1917,78	0,179537	13878	2696,08
2012	3234	0,127105	0,057950	73,20	799,28	0,247151	4159	0,105605	0,057950	28,50	843,38	0,202785	3910	0,142010	0,057950	28,50	964,31	0,246626	8069	1807,69	0,224706	11303	2278,28
2013	4064	0,133380	0,080320	73,20	1120,60	0,275737	5509	0,093980	0,080320	28,50	1176,58	0,213573	5034	0,064880	0,080320	28,50	903,73	0,179525	10543	2080,31	0,196549	14607	3200,91
2014	2961	0,132010	0,088190	73,20	863,00	0,291456	2860	0,089510	0,088190	28,50	638,70	0,223321	2878	0,061910	0,088190	28,50	547,98	0,190403	5738	1186,68	0,206862	8699	2049,67
2015	3372	0,129410	0,086560	73,20	953,73	0,282837	4345	0,086930	0,086560	28,50	930,95	0,214259	4271	0,059290	0,086560	28,50	775,20	0,181502	8616	1706,15	0,197880	11988	2659,88
2016	3788	0,128570	0,092670	73,20	1084,40	0,286271	3426	0,093000	0,092670	28,50	790,88	0,230847	2972	0,073960	0,092670	28,50	623,23	0,209701	6398	1414,11	0,220274	10186	2498,50
2017	2969	0,139800	0,097340	78,00	930,66	0,313460	4299	0,099400	0,097340	54,00	1070,74	0,249068	3858	0,082660	0,097340	54,00	890,64	0,230856	8157	1961,39	0,239962	11126	2892,04
2018	3043	0,141000	0,096050	78,00	951,22	0,312592	3596	0,100600	0,096050	54,00	905,77	0,251883	3411	0,083900	0,096050	54,00	794,69	0,232980	7007	1700,47	0,242431	10050	2651,66
2019	3346	0,148800	0,094610	86,40	1072,01	0,320386	3843	0,107900	0,094610	58,20	995,37	0,259009	3390	0,093700	0,094610	58,20	828,92	0,244519	7233	1824,29	0,251764	10579	2896,30	Einführung Schmutzwassergebühr
2020	4107	0,153030	0,098130	86,40	1330,32	0,323915	4014	0,118890	0,099230	86,40	1144,70	0,285177	3527	0,102560	0,099230	86,40	949,75	0,269281	7541	2094,46	0,277229	11648	3309,80	6 Monate 16 % MwSt. Erste Rechnung wo die EEG etc. Umlage sich bei ET und HT NT unterscheidet.
Gesamt	59897						82022						70600						152622			207703	40231,78

Die gesamte Berechnung beruht auf Nettopreisen. Erhöhung dt. MwSt. zum 1.1.2007 von 16 % auf 19 %. MwSt. Senkung 2020 in Q3 und Q4.

Wärmepumpe

Dieser Artikel erläutert die Wärmepumpe allgemein. Für Wärmepumpen speziell zu Heizzwecken siehe Wärmepumpenheizung.

Schaubild des Wärmeflusses (große Pfeile) und des Kältemittels (kleine Pfeile) einer Kompressionswärmepumpe (vgl. Kompressionskältemaschine):
1) Kondensator, 2) Drossel, 3) Verdampfer, 4) Kompressor
Dunkelrot: Gasförmig, hoher Druck, sehr warm
Rosa: Flüssig, hoher Druck, warm
Blau: Flüssig, niedriger Druck, sehr kalt
Hellblau: Gasförmig, niedriger Druck, kalt

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur (in der Regel ist das die Umgebung) aufnimmt und – zusammen mit der Antriebsenergie – als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur (Raumheizung) überträgt. Der verwendete Prozess ist im Prinzip die Umkehrung eines Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem Wärmeenergie mit hoher Temperatur aufgenommen und teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt wird, meist an die Umgebung. Das Prinzip der Wärmepumpe verwendet man auch zum Kühlen (so beim Kühlschrank), während der Begriff „Wärmepumpe“ nur für das Heizaggregat verwendet wird. Beim Kühlprozess ist die Nutzenergie die aus dem zu kühlenden Raum aufgenommene Wärme, die zusammen mit der Antriebsenergie als Abwärme an die Umgebung abgeführt wird.

Technische Realisierung

Abbildung 1: Schaltbild einer Wärmepumpe mit Kaltdampfprozess

Abbildung 2: T-s-Diagramm des Vergleichsprozesses

Temperaturen. T_U=Umgebungstemperatur,
T_V= Verdampfertemperatur,
T_K=Kondensatortemperatur,
T_N/H=Nutz-/Heiztemperatur

Wärmepumpen werden in der Regel mit Medien betrieben, die bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampfen und nach der Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensieren. Der Druck wird so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenübergangs einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke haben. Je nach verwendetem Stoff liegt dieser Druck in unterschiedlichen Bereichen. Abbildung 1 zeigt das Schaltbild mit den vier für den Prozess erforderlichen Komponenten: Verdampfer, Verdichter (Kompressor), Kondensator und Drossel, Abbildung 2 den Prozess im T-s-Diagramm. Theoretisch wäre es möglich, die Arbeitsfähigkeit des Kondensates beim Entspannen auf den niedrigeren Druck durch eine Kraftmaschine, beispielsweise eine Turbine, zu nutzen. Doch dabei würde die Flüssigkeit teilweise verdampfen und so große technische Schwierigkeiten bei einem nur geringen Energiegewinn verursachen, so dass man der Einfachheit halber hier eine Drossel verwendet (Entspannung mit konstanter Totalenthalpie).

Einzelheiten

Bei der Wärmepumpe werden physikalische Effekte des Übergangs einer Flüssigkeit in die gasförmige Phase und umgekehrt ausgenutzt. So zeigt Propan die Eigenschaft, abhängig vom Druck und seiner Temperatur einerseits entweder gasförmig oder flüssig zu sein und andererseits als Gas bei Kompression heiß zu werden und sich bei Entspannung abzukühlen: Propan bei normalem Luftdruck und kühler Außentemperatur (zum Beispiel 5 °C) ist gasförmig; komprimiert man es, wird es wärmer, bleibt aber gasförmig. Kühlt man es dann auf Zimmertemperatur ab, wird es flüssig (dabei sinkt der Druck wieder etwas). Wenn man das flüssige Propan entspannt, verdampft es (es wird wieder zu Gas) und wird dabei sehr kalt.

Diesen Effekt nutzt man bei der Wärmepumpe aus: Das Propangas wird im Verdichter durch einen Motor zusammengepresst und erhitzt sich dabei. Das heiße, komprimierte Gas kann dann im Wärmetauscher seine Wärme an das Wasser der Heizungsanlage abgeben. Dabei kühlt sich das komprimierte Gas ab und kondensiert zu flüssigem Propan (der Wärmetauscher einer Wärmepumpe wird deshalb Kondensator genannt). Beim anschließenden Durchgang durch das Expansionsventil, eine Drossel (in einfachen Modellen eine extreme Engstelle im Rohr) wird das flüssige Propan entspannt, verdampft dabei und wird sehr kalt (deutlich kälter als 5 °C). Lässt man das kalte Gas dann durch einen zweiten Wärmetauscher (meist außerhalb des Hauses) strömen, der von außen – zum Beispiel durch Grundwasser oder die Außenluft – immer bei zum Beispiel 5 °C gehalten wird, erwärmt sich das sehr kalte Gas auf 5 °C und die Umgebung kühlt sich um 1 oder 2 °C ab. Auf diese Weise nimmt das Propan aus dem Grundwasser oder der Außenluft genauso viel Wärme auf, wie es vorher an das Heizungswasser abgegeben hat. Es wird dann wieder dem Verdichter zugeführt, und der Prozess beginnt von neuem.

Die benötigte Energie zum Antrieb der Wärmepumpe verringert sich, das heißt der Betrieb wird umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke z. B. der Vorlauftemperatur der Heizungsanlage ist. Diese Bedingung erfüllen Niedertemperaturheizungen am besten, deshalb wird die Wärme im Wohnraum häufig durch eine Flächenheizung z. B. Fußbodenheizung abgegeben.^[1]

Je nach Auslegung des Systems kann der Heizenergieaufwand um zirka 30 bis 50 % reduziert werden.^[2] Durch Kopplung mit Solarstrom, Haushaltsstrom oder Erdgas zum Antrieb der Wärmepumpe kann die Kohlendioxidemission im Vergleich zum Heizöl oder Gas erheblich gesenkt werden.^[1]

Der Auswahl der richtigen Wärmequelle kommt eine besondere Bedeutung zu, denn diese bestimmt maßgeblich die maximal erreichbare Arbeitszahl einer Wärmepumpe.

„Ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl. Sie beschreibt das Verhältnis der Nutzenergie in Form von Wärme zur aufgewendeten Verdichterenergie in Form von Strom.“^[1] Bei guten Anlagen ist dieser Wert größer als 5,0 (Direktverdampfungsanlagen). Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass bei der Berechnung der Jahresarbeitszahl weder Nebenverbräuche noch Speicherverluste berücksichtigt werden.^[3]

Wirtschaftlichkeit: Bei der Beheizung von kleineren Wohngebäuden werden Wärmepumpen elektrisch angetrieben. Wenn sie unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten mit einer herkömmlichen Heizung z. B. Gas verglichen werden, bietet die Jahresarbeitszahl einen Indikator für einen Betriebskostenvergleich zwischen Wärmepumpe und Gasheizung. Falls der Strompreis für die Wärmepumpe (in €/kWh) höher als der Gaspreis (in €/kWh) multipliziert mit der Jahresarbeitszahl ist, so ist zu erwarten, dass schon die Stromkosten für die Wärmepumpe höher als die Kosten für das Verbrennen von Gas sind. Sinngemäß gilt dies auch für den Vergleich einer Wärmepumpe mit einer Ölheizung. In dieser Rechnung wird die durch Verbrennungsprozesse freigesetzte CO₂-Menge und der einhergehende Erderwärmungsprozess sowie freigesetzter Feinstaub und mögliche Folgeschäden nicht berücksichtigt.

Bei noch in Betrieb befindlichen älteren Kohlekraftwerken kann aus drei Teilen Wärmeenergie nur ein Teil Strom gewonnen werden.^[1] Für strombetriebene Wärmepumpen ist es notwendig einen möglichst hohen Anteil regenerativ erzeugten Strom im Strommix zu erreichen.

Bei der direkten elektrischen Beheizung, zum Beispiel mit Heizstäben, entspricht die erzeugte Wärmeenergie genau der eingesetzten elektrischen Energie (COP=1). Die elektrische Energie ist aber wesentlich hochwertiger als Wärmeenergie bei niedriger Temperatur, denn durch Einsatz einer Wärmekraftmaschine kann immer nur ein Teil der Wärmeleistung wieder in elektrische Leistung umgeformt werden.

Leistungsbilanz der Wärmepumpe: Der COP beschreibt den Quotienten aus nutzbarer Wärme (rot) und der dafür aufgewendeten elektrischen Verdichterleistung (gelb)

Der Abluft, der Außenluft, dem Erdboden, dem Abwasser oder dem Grundwasser kann Wärme durch Einsatz einer Wärmepumpe entzogen werden. Ein Vielfaches der für die Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Leistung kann der Wärmequelle (Luft, Erdboden) entzogen werden und auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt werden. In der Leistungsbilanz wird der Wärmepumpe elektrische Leistung für den Verdichterantrieb und die der Umwelt entzogene Wärme zugeführt. Am Austritt der Wärmepumpe steht ein Teil der zugeführten Leistung als Wärme auf höherem Niveau zur Verfügung. In der Gesamtleistungsbilanz sind noch die Verluste des Prozesses zu berücksichtigen.

Das Verhältnis von der in den Heizkreis abgegebenen Wärmeleistung zur zugeführten elektrischen Verdichterleistung wird als Leistungszahl bezeichnet. Die Leistungszahl hat einen oberen Wert, der nicht überschritten und aus dem Carnot-Kreisprozess abgeleitet werden kann. Die Leistungszahl wird auf einem Prüfstand gemäß der Norm EN 14511 (früher EN 255) ermittelt und gilt nur unter den jeweiligen Prüfbedingungen. Gemäß EN 14511 wird die Leistungszahl auch COP genannt (Coefficient Of Performance). Der COP ist Gütekriterium für Wärmepumpen, erlaubt jedoch keine energetische Bewertung der Gesamtanlage.

Um eine möglichst hohe Leistungszahl und somit eine hohe Energieeffizienz zu erlangen, sollte die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Nutztemperatur möglichst gering sein. Die Wärmeübertrager sollten für möglichst geringe Temperaturdifferenzen zwischen der Primär- und Sekundärseite ausgelegt sein.

Die Bezeichnung Wärmepumpe beruht darauf, dass Wärme aus der Umgebung auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau angehoben (gepumpt) wird. Die Wärmepumpe hat einen Verdichter, der elektrisch oder durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Der Verdichter komprimiert ein Kältemittel auf einen höheren Druck, wobei es sich erwärmt. Die beim nachfolgenden Abkühlen und Verflüssigen des Kältemittels freigesetzte Energie wird in einem Wärmeübertrager auf das Wärmeträgermedium des Heizkreises, meistens Wasser oder Sole, übertragen. Das Kältemittel wird anschließend an einem Expansionsventil entspannt und es kühlt sich ab. Das kalte Kältemittel wird dem Verdampfer (Erdwärmesonden, Luftverdampfer) zugeführt und geht durch Aufnahme von Umgebungswärme (Anergie) in den gasförmigen Zustand über.

Ein Nachteil der Wärmepumpe ist der deutlich höhere apparative Aufwand. Besonders kostenintensiv sind wirkungsvolle Verdampfer (Erdwärmesonden, erdverlegte Flächenverdampfer) durch die damit verbundenen Erdarbeiten. Die Investitionen gegenüber einem konventionellen Gas- oder Heizölbrenner sind deutlich höher. Dafür ist der regelmäßige Aufwand für Wartung und Instandhaltung deutlich geringer, zum Beispiel fallen keine Reinigungs- und Schornsteinfegerkosten an.

Der Wärmepumpenprozess, nach Rudolf Plank Plank-Prozess genannt, wird auch als Kraftwärmemaschine bezeichnet. Der Grenzfall einer reversibel arbeitenden Kraftwärmemaschine ist der linksläufige Carnotprozess.

Kältemittel (Arbeitsgase)

Von 1930 bis zum Anfang der 1990er Jahre waren die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) die bevorzugten Kältemittel. Sie kondensieren bei Raumtemperatur unter leicht handhabbarem Druck. Sie sind nicht giftig, nicht brennbar und reagieren nicht mit den üblichen Werkstoffen. Wenn FCKW freigesetzt werden, schädigen sie jedoch die Ozonschicht der Atmosphäre und tragen zum Ozonloch bei. In Deutschland wurde daher der Einsatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffen im Jahr 1995 verboten. Die als Ersatz verwendeten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) schädigen nicht die Ozonschicht, tragen jedoch zum Treibhauseffekt bei und sind im Kyoto-Protokoll als umweltgefährdend erfasst. Als natürliche Kältemittel gelten reine Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Propylen, wobei deren Brennbarkeit besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich macht. Anorganische, nicht brennbare Alternativen wie Ammoniak, Kohlendioxid oder Wasser wurden ebenfalls für Wärmepumpen eingesetzt. Aufgrund spezifischer Nachteile haben sich diese Kältemittel nicht im größeren technischen Maßstab durchsetzen können. Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) werden generell in industriellen Kühlanlagen wie Kühlhäusern und Brauereien eingesetzt.^[2] CO₂ ist anstelle von Fluorkohlenwasserstoffen für die Klimatisierung von Fahrzeugen angedacht und wird bereits von ersten Herstellern eingesetzt (Stand 2017).

Leistungszahl und Gütegrad

→ Hauptartikel: Leistungszahl

Die Leistungszahl ε, in der Literatur auch als Heizzahl bezeichnet^[4] einer Wärmepumpe, englisch Coefficient Of Performance ( C O P ) {\displaystyle (COP)} $(COP)$ , ist der Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, und der eingesetzten Energie: C O P = Q c W {\displaystyle \mathrm {COP} ={\frac {Q_{c}}{W}}} $\mathrm{COP} = \frac{Q_c}{W}$

Bei typischen Leistungszahlen von 4 bis 5 steht das Vier- bis Fünffache der eingesetzten Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung, der Zugewinn stammt aus der entzogenen Umgebungswärme.

Die Leistungszahl hängt stark vom unteren und oberen Temperaturniveau ab. Die theoretisch maximal erreichbare Leistungszahl C O P m a x {\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {max} }} $\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }$ einer Wärmepumpe ist entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt durch den Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrads η C {\displaystyle \eta _{C}} $\eta_C$ C O P m a x = 1 η C = T warm T warm − T kalt {\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {max} }={\frac {1}{\eta _{C}}}={\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}} $\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }={\frac {1}{\eta _{C}}}={\frac {T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}}-T_{\text{kalt}}}}$

Für die Temperaturen sind die absoluten Werte einzusetzen.

Der Gütegrad η W P {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }} $\eta_\mathrm{WP}$ einer Wärmepumpe ist die tatsächliche Leistungszahl bezogen auf die ideale Leistungszahl bei den verwendeten Temperaturniveaus. Er berechnet sich zu: η W P = C O P C O P m a x bzw. C O P = C O P m a x ⋅ η W P {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }={\frac {\mathrm {COP} }{\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }}}\qquad {\text{bzw.}}\qquad \mathrm {COP} =\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }\cdot \eta _{\mathrm {WP} }} $\eta _{\mathrm {WP} }={\frac {\mathrm {COP} }{\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }}}\qquad {\text{bzw.}}\qquad \mathrm {COP} =\mathrm {COP} _{\mathrm {max} }\cdot \eta _{\mathrm {WP} }$

Praktisch werden Wärmepumpengütegrade η W P {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }} $\eta_\mathrm{WP}$ im Bereich 0,45 bis 0,55 erreicht.

Beispielwerte

Das untere Temperaturniveau einer Wärmepumpe liegt bei 10 °C (= 283,15 K), und die Nutzwärme wird bei 50 °C (= 323,15 K) übertragen. Bei einem idealen reversiblen Wärmepumpenprozess, der Umkehrung des Carnotprozesses, würde die Leistungszahl bei 8,1 liegen. Real erreichbar ist bei diesem Temperaturniveau eine Leistungszahl von 4,5. Mit einer Energieeinheit Exergie, die als technische Arbeit oder elektrische Leistung eingebracht wird, können 3,5 Einheiten Anergie aus der Umgebung auf das hohe Temperaturniveau gepumpt werden, so dass 4,5 Energieeinheiten als Wärme bei 50 °C Heizungs-Vorlauftemperatur genutzt werden können. (1 Einheit Exergie + 3,5 Einheiten Anergie = 4,5 Einheiten Wärmeenergie).

In der Gesamtbetrachtung müssen aber der exergetische Kraftwerkwirkungsgrad und die Netzübertragungsverluste berücksichtigt werden, welche einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 35 % erreichen. Die benötigte 1 kWh Exergie erfordert einen Primärenergieeinsatz von 100 / 35 × 1 kWh = 2,86 kWh. Wenn die Primärenergie nicht im Kraftwerk eingesetzt, sondern direkt vor Ort zur Beheizung genutzt wird, erhält man bei einem Feuerungswirkungsgrad von 95 % – demnach 2,86 kWh × 95 % = 2,71 kWh thermische Energie.

Mit Bezug auf das oben aufgeführte Beispiel kann im Idealfall (Leistungszahl = 4,5) mit einer Heizungswärmepumpe das 1,6fache und bei einer konventionellen Heizung das 0,95fache der eingesetzten Brennstoffenthalpie als Wärmeenergie umgesetzt werden. Unter sehr günstigen Randbedingungen kann so bei dem Umweg Kraftwerk → Strom → Wärmepumpe eine 1,65-fach höhere Wärmemenge gegenüber der direkten Verbrennung erreicht werden.

Am Prüfstand wird bei einer Grundwassertemperatur von 10 °C und einer Temperatur der Nutzwärme von 35 °C eine Leistungszahl von bis zu COP=6,8 erreicht. In der Praxis wird allerdings der tatsächlich über das Jahr erreichbare Leistungswert, die Jahresarbeitszahl (JAZ) incl. Verluste und Nebenantriebe, von nur 4,2 erzielt. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen liegen die Werte deutlich darunter, was die Reduzierung des Primärenergiebedarfs mindert. Unter ungünstigen Bedingungen – etwa bei Strom aus fossilen Brennstoffen – kann mehr Primärenergie verbraucht werden als bei einer konventionellen Heizung. Eine solche Stromheizung ist weder im Hinblick auf den Klimaschutz noch volkswirtschaftlich effizient.

Eine Wärmepumpe mit einer JAZ > 3 gilt als energieeffizient. Allerdings werden laut einer Studie bereits bei dem Strommix aus dem Jahr 2008 schon ab einer JAZ von 2 Kohlendioxidemissionen eingespart, mit weiterem Ausbau der Erneuerbaren Energien sowie dem Ersatz älterer Kraftwerke durch modernere und effizientere steigt das Einsparpotential, auch bestehender Wärmepumpen, weiter an.^[5]

Datenblätter

In den Datenblättern zu den diversen Wärmepumpenerzeugnissen sind die Leistungsparameter jeweils auf Medium und Quell- und Zieltemperatur bezogen; zum Beispiel:

W10/W50: COP = 4,5, η W P = 0 , 56 {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }=0{,}56} $\eta_\mathrm{WP} = 0{,}56$
A10/W35: Heizleistung 8,8 kW; COP = 4,3, η W P = 0 , 35 {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }=0{,}35} $\eta_\mathrm{WP} = 0{,}35$
A2/W50: Heizleistung 6,8 kW; COP = 2,7, η W P = 0 , 40 {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }=0{,}40} $\eta_\mathrm{WP} = 0{,}40$
B0/W35: Heizleistung 10,35 kW; COP = 4,8, η W P = 0 , 55 {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }=0{,}55} $\eta_\mathrm{WP} = 0{,}55$
B0/W50: Heizleistung 9 kW; COP = 3,6, η W P = 0 , 56 {\displaystyle \eta _{\mathrm {WP} }=0{,}56} $\eta_\mathrm{WP} = 0{,}56$
B10/W35: Heizleistung 13,8 kW; COP = 6,1

Nach mehreren gemessenen COP-Werte am WPT-Buchs^[6]. Angaben wie W10/W50 bezeichnen die Eingangs- und Ausgangstemperaturen der beiden Medien. W steht für Wasser, A für Luft (engl. air) und B für Sole (engl. brine), die Zahl dahinter für die Temperatur in °C. B0/W35 ist bspw. ein Betriebspunkt der Wärmepumpe mit einer Soleeintrittstemperatur von 0 °C und einer Wasseraustrittstemperatur von 35 °C.

Einteilung

nach dem Verfahren

Kompression (mechanische Energie als Antriebsleistung)
Absorption (Hochtemperaturwärme als Antriebsleistung; siehe: Absorptionswärmepumpe)
Adsorption (zum Beispiel Adsorption und Desorption eines Stoffes an einer Oberfläche wie Aktivkohle oder einem Zeolith, dabei wird die Adsorptionswärme frei oder auch die Desorptionswärme aufgenommen)
Peltier-Effekt
Magnetokalorischer Effekt

nach der Wärmequelle

Außenluft
Abluft
Grundwasser (mit Schluckbrunnen)
Oberflächenwasser
Erdwärme
- Erdwärmesonde
- CO₂-Sonde
- Direktverdampfer-Sonde mit Kältemittel gefüllt
- Spiralkollektor
- flächig verlegter Wärmeübertrager mit Soleflüssigkeit befüllt
- flächig verlegter Wärmeübertrager mit Kältemittel befüllt
- thermisch aktivierte Fundamente
Abwärme von industriellen Anlagen
Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG)
Nutzung von Latenter Wärme in Form eines Eisspeichers

nach der Wärmenutzung

Kühlen
Gefrieren
Warmwasser
Heizung
- mit Flächenheizung Fußbodenheizung, Wandheizung, Deckenheizung
- mit Heizkörpern Radiatoren, Konvektoren
- mit Gebläse-Konvektoren

nach der Arbeitsweise

Es gibt verschiedene physikalische Effekte, die in einer Wärmepumpe Verwendung finden können. Die wichtigsten sind:

Die Verdampfungsenthalpie bei Wechsel des Aggregatzustandes (flüssig/gasförmig);
die Reaktionswärme bei Mischung zweier verschiedener Stoffe;
die Temperaturabsenkung bei der Expansion eines (nicht idealen) Gases (Joule-Thomson-Effekt);
der thermoelektrische Effekt;
das Thermotunneling-Verfahren;
sowie der magnetokalorische Effekt.

in der Gebäudetechnik

Wärmepumpen werden vielfach auch zur Erwärmung von Wasser für die Gebäudeheizung (Wärmepumpenheizung) und Bereitstellung von Warmwasser eingesetzt. Eingesetzt werden können Wärmepumpen sowohl alleine, in Kombination mit anderen Heizungsarten, sowie in Fern- und Nahwärmesystemen. Zu letzterem zählt z. B. die Kalte Nahwärme. Üblich sind die folgenden Kombinationen (Abkürzungen in Klammern):

Wasser/Wasser-Wärmepumpe (WWWP) mit Entzug der Wärme aus dem Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen, aus Oberflächenwässern oder Abwässern,
Sole/Wasser-Wärmepumpe (SWWP), als Wärmequellen dienen:
- Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren (Spiralkollektoren, Grabenkollektoren, Erdwärmekörbe etc.)
- die Sonnenenergie über Sonnenkollektoren und Pufferspeicher
- der Umgebung über Massivabsorber, Energiezaun, o.ä
Luft/Wasser-Wärmepumpe (LWWP) mit Entzug der Wärme aus Abluft oder Aussenluft, seltener auch mit Vorerwärmung durch Erdwärmetauscher, Fassadenkollektoren oder ähnlichem; Wärmeabgabe über wasserführende Heizsysteme, preiswert und häufig verwendet
Luft/Luft-Wärmepumpen (LLWP) werden nur in großen Gebäuden zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft von Lüftungsanlagen (Klimaanlagen) verwendet.

Bauformen

14.000-kW-Absorptions-Wärmepumpe zur Nutzung industrieller Abwärme in einem österreichischen Fernheizwerk. 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 oder Gase. Sie verfügt über einen Lösungsmittelkreis und einen Kältemittelkreis. Das Lösungsmittel wird im Kältemittel wiederholt gelöst oder ausgetrieben. Die Adsorptions-Wärmepumpe arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem „Adsorbens“, an dem das Kältemittel ad- oder 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.

Elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe

Das Innere eines Verdampfers einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe stellt den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen dar. Das Kältemittel wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Es wird von einem Verdichter angesaugt, verdichtet und dem Verflüssiger zugeführt. Der Verflüssiger ist ein Wärmeübertrager in dem die Verflüssigungswärme an ein Fluid – zum Beispiel an einen Warmwasserkreis oder an die Raumluft – abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung geführt (Kapillarrohr, thermisches oder elektronisches Expansionsventil). Durch die adiabate Entspannung wird das Kältemittel abgekühlt. Der Saugdruck wird durch die Entspannungseinrichtung in Kombination mit der Förderleistung des Verdichters in der Wärmepumpe so eingestellt, dass die Sattdampftemperatur des Kältemittels unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. In dem Verdampfer wird somit Wärme von der Umgebung an das Kältemittel übertragen und führt zum Verdampfen des Kältemittels. Als Wärmequelle kann die Umgebungsluft oder ein Solekreis genutzt werden, der die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt. Das verdampfte Kältemittel wird dann von dem Verdichter angesaugt. Aus dem oben beschriebenen Beispiel ist ersichtlich, dass durch Einsatz der elektrisch betriebenen Wärmepumpe bei dem vorausgesetzten Temperaturniveau kein wesentlich höherer thermischer Wirkungsgrad gegenüber der konventionellen Direktbeheizung möglich ist. Das Verhältnis verbessert sich zugunsten der elektrisch angetriebenen Wärmepumpe, wenn Abwärme auf hohem Temperaturniveau als untere Wärmequelle genutzt werden kann oder die Geothermie auf hohem Temperaturniveau unter Verwendung eines geeigneten Erdwärmekollektors genutzt werden kann.

Wärmepumpe mit Öl- oder Gasmotorantrieb

Ein deutlich höherer thermischer Wirkungsgrad kann erreicht werden, wenn die Primärenergie als Gas oder Öl in einem Motor zur Erzeugung technischer Arbeit zum direkten Antrieb des Wärmepumpenverdichters genutzt werden kann. Bei einem exergetischen Wirkungsgrad des Motors von 35 % und einer Nutzung der Motorabwärme zu 90 % kann ein gesamtthermischer Wirkungsgrad von 1,8 erzielt werden. Allerdings muss der erhebliche Mehraufwand gegenüber der direkten Beheizung berücksichtigt werden der durch wesentlich höhere Investitionen und Wartungsaufwand begründet ist. Es gibt jedoch bereits Gaswärmepumpen am Markt (ab 20 kW Heiz-/Kühlleistung aufwärts), welche mit Service-Intervallen von 10.000 Stunden (übliche Wartungsarbeiten für Motor) und alle 30.000 Betriebsstunden für den Ölwechsel auskommen und so längere Wartungsintervalle haben als Kesselanlagen. Zusätzlich ist zu bemerken, dass bestimmte Hersteller von motorgetriebenen Gaswärmepumpen diese in Serienproduktion herstellen, welche in Europa auf Lebensdauern von mehr als 80.000 Betriebsstunden kommen. Dies ist der Fall aufgrund des ausgeklügelten Motorenmanagements, der niedrigen Drehzahlen und der optimierten Geräteprozesse.

Detaillierte Beschreibung von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung

→ Hauptartikel: Wärmepumpenheizung

Geschichte

1877 in der Saline Bex installierter zweistufiger Kolbenkompressor /Wirth 1955/

1968: Erstes Wärmepumpen-Zentralgerät in Deutschland von Klemens Oskar Waterkotte

Die Geschichte der Wärmepumpe^[7] begann mit der Entwicklung der Dampfkompressionsmaschine. Sie wird je nach Nutzung der zu oder der abgeführten Wärme als Kältemaschine oder als Wärmepumpe bezeichnet. Ziel war noch lange Zeit die künstliche Eiserzeugung zu Kühlzwecken. Dem aus den USA stammenden Jacob Perkins ist 1834 der Bau einer entsprechenden Maschine als erstem gelungen. Sie enthielt bereits die vier Hauptkomponenten einer modernen Wärmepumpe: einen Kompressor, einen Kondensator, einen Verdampfer und ein Expansionsventil.

Lord Kelvin hat die Wärmepumpe bereits 1852 vorausgesagt, in dem er erkannte, dass eine „umgekehrte Wärmekraftmaschine“ für Heizzwecke eingesetzt werden könnte. Er erkannte, dass eine solche Heizeinrichtung dank dem Wärmeentzug aus der Umgebung (Luft, Wasser, Erdreich) weniger Primärenergie benötigen würde als beim konventionellen Heizen^[8]. Aber es sollte noch rund 85 Jahre dauern, bis die erste Wärmepumpe zur Raumheizung in Betrieb ging. In dieser Periode wurden die Funktionsmuster der Pioniere auf der Basis einer rasch fortschreitenden wissenschaftlichen Durchdringung insbesondere auch durch Carl von Linde^[9] und dem Fortschritt der industriellen Produktion durch verlässlichere und besser ausgelegte Maschinen ersetzt. Die Kältemaschinen und -anlagen wurden zu industriellen Produkten und im industriellen Maßstab gefertigt. Um 1900 lagen die meisten fundamentalen Innovationen der Kältetechnik für die Eisherstellung und später auch die direkte Kühlung von Lebensmitteln und Getränken bereits vor. Darauf konnte später auch die Wärmepumpentechnik aufbauen^[10].

In der Periode vor 1875 wurden Wärmepumpen erst für die Brüdenkompression (offener Wärmepumpenprozess) in Salzwerken mit ihren offensichtlichen Vorteilen zur Holz- und Kohleeinsparung verfolgt. Der österreichische Ingenieur Peter von Rittinger versuchte 1857 als erster, die Idee der Brüdenkompression in einer kleinen Pilotanlage zu realisieren. Vermutlich angeregt durch die Experimente von Rittinger in Ebensee wurde in der Schweiz 1876 von Antoine-Paul Piccard von der Universität Lausanne und dem Ingenieur J.H. Weibel vom Unternehmen Weibel-Briquet in Genf die weltweit erste wirklich funktionierende Brüdenkompressionsanlage mit einem zweistufigen Kompressor gebaut. 1877 wurde diese erste Wärmepumpe der Schweiz in der Saline Bex installiert. Um 1900 blieben Wärmepumpen Visionen einiger Ingenieure. Der Schweizer Heinrich Zoelly hat als erster eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe mit Erdwärme als Wärmequelle vorgeschlagen. Er erhielt dafür 1919 das Schweizer Patent 59350. Aber der Stand der Technik war noch nicht bereit für seine Ideen. Bis zur ersten technischen Realisierung dauerte es noch rund zwanzig Jahre. In den USA wurden ab 1930 Klimaanlagen zur Raumkühlung mit zusätzlicher Möglichkeit zur Raumheizung gebaut. Die Effizienz bei der Raumheizung war allerdings bescheiden^[11].

Während und nach dem Ersten Weltkrieg litt die Schweiz an stark erschwerten Energieimporten und hat in der Folge ihre Wasserkraftwerke stark ausgebaut. In der Zeit vor und erst recht während des Zweiten Weltkriegs, als die neutrale Schweiz vollständig von faschistisch regierten Ländern umringt war, wurde die Kohleknappheit erneut zu einem großen Problem. Dank ihrer Spitzenposition in der Energietechnik haben die Schweizer Firmen Sulzer, Escher Wyss und Brown Boveri in den Jahren 1937 bis 1945 rund 35 Wärmepumpen gebaut und in Betrieb genommen. Hauptwärmequellen waren Seewasser, Flusswasser, Grundwasser und Abwärme. Besonders hervorzuheben sind die sechs historischen Wärmepumpen der Stadt Zürich mit Wärmeleistungen von 100 kW bis 6 MW. Ein internationaler Meilenstein ist die in den Jahren 1937/38 von Escher Wyss gebaute Wärmepumpe zum Ersatz von Holzöfen im Rathaus Zürich. Zur Vermeidung von Lärm und Vibrationen wurde ein erst kurz zuvor entwickelter Rollkolbenkompressor eingesetzt. Diese historische Wärmepumpe beheizte das Rathaus während 63 Jahren bis ins Jahr 2001. Erst dann wurde sie durch eine neue, effizientere Wärmepumpe ersetzt^[12]. Zwar wurden durch die erwähnten Firmen bis 1955 noch weitere 25 Wärmepumpen gebaut. Die in den 1950er und 1960er Jahren laufend fallenden Erdölpreise führten dann aber zu einem dramatischen Verkaufseinbruch für Wärmepumpen. Im Gegensatz dazu blieb das Geschäft im Brüdenkompressionsbereich weiterhin erfolgreich. In anderen europäischen Ländern wurden Wärmepumpen nur sporadisch bei gleichzeitigem Kühlen und Heizen (z. B. Molkereien) eingesetzt^[7]. In Deutschland wurde 1968 die erste erdgekoppelte Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus in Kombination mit einer Niedertemperatur-Fussbodenheizung durch Klemens Oskar Waterkotte realisiert^[13].

Das Erdölembargo von 1973 und die zweite Erdölkrise 1979 führten zu einer Verteuerung des Erdöls um bis zu 300 %. Diese Situation begünstigte die Wärmepumpentechnik enorm. Es kam zu einem eigentlichen Wärmepumpenboom. Dieser wurde aber durch zu viele inkompetente Anbieter im Kleinwärmepumpenbereich und dem nächsten Ölpreiszerfall gegen Ende der 1980er Jahre jäh beendet. In den 1980er Jahren wurden auch zahlreiche von Gas- und Dieselmotoren angetriebene Wärmepumpen gebaut. Sie waren allerdings nicht erfolgreich. Nach einigen Betriebsjahren hatten sie mit zu häufigen Pannen und zu hohen Unterhaltskosten zu kämpfen. Demgegenüber setzte sich im Bereich größerer Wärmeleistung die als „Totalenergiesysteme“ bezeichnete Kombination von Blockheizkraftwerken mit Wärmepumpen durch. So wurde an der ETH-Lausanne nach dem Konzept von Lucien Borel und Ludwig Silberring durch Sulzer-Escher-Wyss 1986 eine 19.2 MW Totalenergieanlage mit einem Nutzungsgrad von 170 % realisiert^[14]. Als größtes Wärmepumpensystem der Welt mit Meerwasser als Wärmequelle wurde 1984-1986 durch Sulzer-Escher-Wyss für das Fernwärmenetz von Stockholm ein 180 MW Wärmepumpensystem mit 6 Wärmepumpeneinheiten zu je 30 MW geliefert. Die Palette der Wärmequellen wurde erweitert durch thermoaktive Gebäudeelemente mit integrierten Rohrleitungen, Abwasser, Tunnelabwasser und Niedertemperatur-Wärmenetze^[7].

1985 wurde das Ozonloch über der Antarktis entdeckt. Darauf wurde 1987 mit dem Montreal-Protokoll eine weltweite konzertierte Aktion zum rigorosen Ausstieg aus den FCK-Kältemitteln beschlossen. Dies führte zu weltweiten Notprogrammen und einer Wiedergeburt von Ammoniak als Kältemittel. Innerhalb von nur vier Jahren wurde das chlorfreie Kältemittel R-134a entwickelt und zum Einsatz gebracht. In Europa wurde auch die Verwendung brennbarer Kohlenwasserstoffe wie Propan und Isobutan als Kältemittel vorangetrieben. Auch Kohlenstoffdioxid gelangt vermehrt zum Einsatz. Nach 1990 begannen die hermetischen Scrollkompressoren die Kolbenkompressoren zu verdrängen. Die Kleinwärmepumpen wurden weniger voluminös und wiesen einen geringeren Kältemittelinhalt auf. Der Markt für Kleinwärmepumpen benötigte aber noch einen gewissen „Selbstreinigungseffekt“ und konzertierte flankierende Maßnahmen zur Qualitätssicherung, bevor gegen das Ende der 1980er Jahre ein erfolgreicher Neustart möglich wurde^[7].

Nach Überwinden des „gebrannten-Kind-Effekts“ bei Kleinwärmepumpen begann ab 1990 eine rasante Verbreitung der Wärmepumpenheizung. Dieser Erfolg fußt auf technischen Fortschritten, größerer Zuverlässigkeit, ruhigeren und effizienteren Kompressoren sowie besserer Regelung – aber nicht weniger auch auf besser ausgebildeten Planern und Installateuren, Gütesiegeln für Mindestanforderungen und nicht zuletzt auch auf einer massiven Preisreduktion. Dank Leistungsregulierung durch kostengünstigere Inverter und aufwändigere Prozessführungen^[15] vermögen heute Wärmepumpen auch die Anforderungen des Sanierungsmarktes mit hoher energetischer Effizienz zu erfüllen^[7].

Siehe auch

Wärmepumpen-System-Modul

Literatur

Hermann Recknagel, Ernst-Rudolf Schramek, Eberhard Sprenger: Taschenbuch für Heizung Klimatechnik. 76. Auflage. Oldenbourg, München 2014, ISBN 978-3-8356-3325-4.
Maake-Eckert: Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik. C. F. Müller, Karlsruhe 2000, ISBN 978-3-7880-7310-7.
Marek Miara et al.: Wärmepumpen – Heizen – Kühlen – Umweltenergie nutzen. BINE-Fachbuch, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-9046-4 (Grundlagen mit Schwerpunkt Anlagentechnik, Monitoringerfahrungen, aktuelle Technologie).
Klaus Daniels: Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure. VDF, Zürich 2000, ISBN 3-7281-2727-2.
Wärme aus Erneuerbaren Energien, Kosten Sparen – Wohnwert steigern – Umwelt schonen. Broschüre von der Deutschen Energie-Agentur, Berlin 02/2007, S. 33–36 (online PDF 46 Seiten 2,6 MB).
Thorsten Schröder, Bernhard Lüke: Wärmequellen für Wärmepumpen. Dortmunder Buch, Dortmund 2013, ISBN 978-3-9812130-7-2.
Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher: Regenerative Energien in Österreich. Grundlagen, Systemtechnik, Umweltaspekte, Kostenanalysen, Potenziale, Nutzung. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0839-4.
Jürgen Bonin: Handbuch Wärmepumpen. Planung und Projektierung. Herausgegeben von DIN, Beuth, Berlin / Wien / Zürich 2012, ISBN 978-3-410-22130-2.

Weblinks

Wärmepumpen-Marktplatz NRW (Energieagentur NRW)
Agentur für Erneuerbare Energie: Intelligente Verknüpfung von Strom- und Wärmemarkt. Die Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie für Lastmanagement im Haushalt. Renews Spezial, Nov. 2012 (PDF; 2,4 MB)
Wärmepumpe: Eine kritische BUND-Analyse
Förderung Wärmepumpen – Informationsportal zur Fördermöglichkeiten von Wärmepumpen in Deutschland
Wärmepumpen: Die Heiztechnik-Alternative (FIZ Karlsruhe / BINE Informationsdienst)
Wärmepumpen-Feldtests (Fraunhofer ISE)
Fachwissen: Elektrisch betriebene Wärmepumpen
Ihr-Wärmepumpen-Buch (80 Seiten; PDF; 7,3 MB)

Quelle: Seite „Wärmepumpe“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 1. September 2021, 08:26 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=W%C3%A4rmepumpe&oldid=215234069 (Abgerufen: 3. September 2021, 09:46 UTC)

Table of Contents

1 Wärmepumpenheizung
2 Wärmepumpenheizung
3 Erdsonden: Günstige Energie aus dem Inneren der Erde
4 Reversible Wärmepumpe
5 Erdwärmepumpe (Sole Wasser Wärmepumpe): umweltfreundlich und effizient heizen
6 So viel Strom verbraucht Ihre Wärmepumpe
7 Reale Stromkosten
8 Wärmepumpe