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Effizienz von Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe kann durch Wärmeenergie aus der Umgebung grundsätzlich die Wohnräume eines Hauses erwärmen. Dabei spielen viele Faktoren eine Rolle und sind nachvollziehbar. Lesen Sie, wie die Fachwelt und auch einschlägige Gesetze diese Faktoren beurteilen.

Nee Mausi, das funktioniert zwar, ist aber nicht unbedingt effizient (Bild: thinkstock)

Nee Mausi, das funktioniert zwar, ist aber nicht unbedingt effizient
(Bild: thinkstock)

Theoretisch und überspitzt dargestellt könnte man ein entsprechend großes Lock in eine Außenwand stemmen um einen Kühlschrank dort rein zu platzieren. Der Kühlbereich wäre nach außen gerichtet und würde nun die Umgebung runterkühlen (siehe Beispiel mit Mausi). Die Rückseite des Kühlschranks würde in den Wohnraum hineinragen und die dort befestigten Röhrchen und Wärmeleitbleche würden den Raum erwärmen. Man könnte ein Schild am Kühlschrank befestigen, auf dem der Name -Wärmepumpe- steht und schauen was passiert. An diesem übertriebenen Beispiel wird klar, dass das Vorhandensein der Komponenten einer Wärmepumpe (WP) alleine nicht ausreicht. Es braucht schon einiges mehr um einen wirklich effizienten Betrieb zu ermöglichen. Wie sieht der aus und wie wird dieser vom Gesetz beurteilt?

Grundsätzliches kompakt

Eine WP soll Umweltwärme nutzen um diese einem geeigneten Heizsystem zur Verfügung zu stellen. In der Regel wird daher die Umgebungsluft oder das Erdreich angezapft. Dazu wird beispielsweise die Umgebungsluft heruntergekühlt. Und die dabei anfallende „Abwärme“ wird dem Heizsystem zur Verfügung gestellt. In den meisten Fällen wird elektrischer Strom als Antrieb für diesen Vorgang benutzt. Dieser treibt dann einen Verdichter an, der die eigentliche Temperaturanhebung ermöglicht. Das Prinzip kann man erleben, wenn man eine herkömmliche Luftpumpe mittels Daumen verschließt und kräftig pumpt. Der Daumen wird heiß. Weitere ausführlichere Hintergründe können Sie nachlesen im SBZ Monteur. Das Archiv im Netz steht für Sie bereit:

Berichte über Wärmepumpen

05/12 Bivalenzpunkt
03/12 Heizen mit Eis
01/12 Schallemissionen von WP
12/11 log-p-h-Diagramm
07/11 Wie funktioniert eine WP?
04/11 Jahresarbeitszahl einer WP
01/11 Dimensionierung einer WP

Die grundsätzlichen Gegebenheiten ändern sich ja nicht, daher sind solche Berichte zeitlos und beinhalten fast schon „ewige Wahrheiten“.

Tabelle 1: Zahlen für die gedachte Wärmepumpen-Anlage aus dem Text

Tabelle 1: Zahlen für die gedachte Wärmepumpen-Anlage aus dem Text

Die Crux in Kürze

An einem kurzen Beispiel soll klar gemacht werden, warum der Einsatz einer WP ein Kampf mit äußeren Umständen darstellt. Ein Wohnzimmer mit 20 Quadratmeter Grundfläche soll eine Heizlast haben von 999 Watt (lässt sich so schön rechnen). Das bedeutet, dass bei einer Raumtemperatur von 20 °C und bei einer Außentemperatur von beispielsweise -10 °C eine Leistung von 999 Watt zugeführt werden muss um die Raumtemperatur konstant zu halten. Doch schon bei einer Außentemperatur von plus 15 °C wird es empfindlich kalt und der Heizbetrieb sollte beginnen. Die Heizlast beträgt dann rund 167 Watt (5/30 x 999 W =167 W). Eine eingebaute Luft-Wasser-Wärmepumpe würde also jetzt die Außenluft von plus 15 °C ansaugen und einen Anteil der enthaltenen Wärmeenergie entziehen. Die gewünschte Vorlauftemperatur für eine Fußbodenheizung (FBH) in diesem Wohnzimmer könnte mit 23 °C ausreichend hoch sein. Das schafft die WP mit Leichtigkeit. Ein fettes Angebot auf der einen Seite (Luft mit 15 °C) steht einer geringen Anforderung auf der anderen Seite gegenüber (Heizwasser von 23 °C). Sinken die Temperaturen außen auf plus 10 °C steigt der Bedarf im Wohnzimmer auf 300 Watt (10/30 x 999 W =333 W). Die Vorlauftemperatur für die FBH würde erhöht auf 26 °C. Die WP würde ein wenig mehr Kompressionsarbeit leisten müssen um die Wunschtemperatur zu erreichen, aber quälen würde sie sich noch nicht. Sinken die Temperaturen jedoch weiter, dann kann man sich vorstellen was passieren wird. Den tieferen Außentemperaturen steht eine immer höhere Anforderung im Wohnzimmer gegenüber. Die angeforderte Leistung und gleichzeitig die angeforderte Vorlauftemperatur steigen mit sinkender Außentemperatur.

Und genau dieser Umstand macht den Pumpen zu schaffen. Während also in Zeiten des üppigen Wärmeangebots (Beispiel 1) von draußen eine geringe Anforderung drinnen erfüllt werden muss, klappt dies mit einer hohen Effizienz. Für den Einsatz 1,0 Kilowattstunde (kWh) an Strom für den Kompressor werden beispielsweise 4,5 kW Wärme produziert. Mit sinkendem Angebot draußen steigt jedoch die Anforderung von drinnen. Das in -Tabelle 1- dargestellte Beispiel soll dies zahlenmäßig zusammengefasst darstellen.

Die Funktion einer Wärmepumpe, oder wie aus Umweltwärme wohlige Heizwärme wird (Bild: Buderus)

Die Funktion einer Wärmepumpe, oder wie aus Umweltwärme wohlige Heizwärme wird
(Bild: Buderus)

Folgen für Auslegung

Zuerst einmal muss man festhalten, dass die Installation einer WP immer auch ein Gesamtkunstwerk darstellt. Während man bei vielen konventionellen Anlagen eigentlich sehr hohe Temperaturen auch noch einigermaßen effizient erzeugen kann, gilt dies für WP ausdrücklich nicht. Und für den Anlagenmechaniker bedeutet das, dass man planerisch immer mit niedrigen Vorlauftemperaturen für die Beheizung planen sollte. Das versetzt dann nämlich die Wärmepumpe in die Lage, auch nicht unbedingt ins Schnaufen zu geraten. Denn das wäre nicht nur für den Stromeinsatz und den damit verbundenen Verbrauchskosten nachteilig. Es wäre auch ökologisch unsinnig, wenn pro rein gesteckter kWh an Stromenergie weniger als drei kWh an Wärme heraus kommen würden. Dies hängt zusammen mit der Stromerzeugung in Deutschland. Denn dort wendet man pro erzeugter kWh rund drei kWh an Energie aus fossilen Brennstoffen auf. Schaut man also über den Prozess der Stromerzeugung und den Einsatz der Wärmepumpe zusammen insgesamt drüber, ergibt sich eine Pattsituation erst bei einer Arbeitszahl von 3,0. Erst wenn die Arbeitszahl der WP besser, also größer ist, spart man Kohle, Gas oder Erdöl ein. Favorit für die Beheizung von Wohnraum mit niedrigen Vorlauftemperaturen ist nach wie vor die FBH. Aber auch die Heizkörperhersteller ziehen immer mehr nach und bieten interessante Modelle. Zaubern können bekanntlich beide Systeme nicht. Der Schlüssel zum Einsatz einer Wärmepumpe liegt aber auch immer im Wohnhaus selbst. Ein uralter Schuppen mit extrem hoher Heizlast ist sicherlich am wenigsten geeignet für eine WP. Ein hochwärmegedämmtes Haus, das bereits mit 30 Watt pro Quadratmeter an Wärmeleistung zufrieden ist wird hingegen bestens geeignet sein.

Die Kombination von Wärmepumpe und Fußbodenheizung kann effizient sein und im Extremfall gibt´s nur 35 °C ´für den Vorlauf (Bild: ROTEX, www.rotex-heating.com)

Die Kombination von Wärmepumpe und Fußbodenheizung kann effizient sein und
im Extremfall gibt´s nur 35 °C ´für den Vorlauf
(Bild: ROTEX, www.rotex-heating.com)

Was sagt Vatter Staat?

Im Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich kurz EEWärmeG, sind Dinge geregelt die den Einsatz und die Anerkennung von Wärmepumpen regeln. Mit Anerkennung ist gemeint, dass eine Wärmepumpe, wenn Sie denn im Sinne dieses Gesetzes zum Einsatz kommt, in einem Neubau mindestens 50 Prozent des Energiebedarfs des Hauses decken sollte. Ist dies der Fall, so hat der Hausbesitzer erstmal ausreichend regenerative Energie gemäß des Gesetzes eingesetzt. Zurück zum Eingansbeispiel mit dem Kühlschrank in der Außenwand kann man aber erkennen, dass die Anwesenheit einer WP an sich nicht ausreicht. Der Gesetzgeber schreibt auch die Effizienz der Anlage vor. Über das gesamte Jahr muss bei Einsatz einer Luft/Wasser-WP pro eingesetzter kWh an Strom 3,3 kWh an Wärme geliefert werden. Eine Sole/Wasser-WP muss sogar auf 3,8 kWh kommen. Das verlangt auch vom Anlagenmechaniker große Sorgfalt bei der Planung und Ausführung. Um die Verhältnisse 3,3 zu 1 oder gar 3,8 zu 1 nachzuweisen bedarf es dann der Messung der zugeführten Energie, also meistens des Stroms. Und auch die abgegebene Energie muss gezählt werden. Ein Strom- und ein Wärmemengenzähler sind also für solche Anlagen zunächst notwendig. Will man diese Messtechnik verhindern, sagt das Gesetz, dass man die Heizflächen auf eine Vorlauftemperatur von maximal 35 °C begrenzen sollte um den Freischein für die Zähler zu bekommen.

Konsequenzen am Markt

In der Praxis werden Neubauten, die mit WP ausgestattet werden häufig tatsächlich für Vorlauftemperaturen von 35 °C ausgelegt. Man bedenke nur, dass man einen Wohnraum mit einer gewünschten Innentemperatur von 20 °C gerade mal mit 35 Grad heißem Wasser durchfließen darf um ihn auch bei Minusgraden bei Temperaturlaune zu halten. Von einem Badezimmer mit 24 °C ganz zu schweigen. Das Heizwasser ist also gerade mal Handwarm und soll die wohlige Wärme von 24 °C im Raum nach dem Duschen garantieren. Das ist dann schon sehr ausgereizt in Sachen Anlagentechnik. Auch kleine Fehler verzeiht ein solches System, oder besser Gesamtkunstwerk, nicht mehr.

1219-05

Gut, das mit dem Kühlschrank in der Hauswand gibt´s nur bei Mausi und im SBZ Monteur. Aber die Effizienz einiger Katastrophen-Anlagen ähnelt dem überzogenen Vergleich. Sie sind jedoch im Bilde und bauen effizient, dass es nur so kracht…

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