Wärmepumpen
1 Einleitung
Rund drei Viertel des Energiebedarfs privater Haushalte werden für die Erzeugung von Heizungswärme und Warmwasser aufgewendet. Ein sparsamer Umgang mit den natürlichen
Ressourcen und die damit verbundenen ökonomischen und ökologischen Vorteile sind für immer mehr Menschen entscheidende Kriterien bei der Auswahl des geeigneten Heizsystems. Hier bieten sich Wärmepumpenheizungen als echte Alternative zur Verbrennung fossiler Energieträger an. Wärmepumpen sind als regeneratives Heizsystem in der Lage, ganzjährig Heizungsenergie und Warmwasser bereitzustellen. Dazu wird die in der Umwelt gespeicherte Sonnenenergie mit technischer Hilfe auf das benötigte Temperaturniveau angehoben. Für 100% Heizwärme werden lediglich ca. 25 % elektrische Antriebsenergie benötigt. Wärmepumpenheizungen erzielen eine einzigartige Effizienz und können einen erheblichen Beitrag zur CO2-Reduzierung leisten. Aus der DIN 4701-10 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung“ sind die Maßzahlen für diese Effizienz ablesbar: Während konventionelle Heizsysteme Aufwandszahlen > 1,0 aufweisen, liegen diese für Wärmepumpen-Heizsysteme zwischen 0,2 und 0,3. Ob Umweltwärme bei niedrigem Temperaturniveau oder Abwärme von Haushalt und Industrie
– für die Wärmepumpe wird sie zur wertvollen Wärmequelle. Wärmepumpen sind bestens geeignet, unsere nicht regenerativen Energiequellen zu schonen, da sie ungenutzte
Ressourcen erschließen. Der Erschließungsaufwand ist überschaubar und hält sich in Grenzen. Und das im doppelten Sinne: es handelt sich schließlich um Umgebungswärme
aus der nächsten Umgebung. Einige Wärmepumpen sind Kombigeräte, die neben der Heizung und/oder Warmwasserbereitung auch eine Vielzahl weiterer Aufgaben wie aktive bzw. passive Kühlung oder Wohnungslüftung übernehmen. Ein Zusatznutzen, der den Anforderungen an modernen Wohnraum in idealer Weise gerecht wird. Wärmepumpenheizungen sind in der Anschaffung zunächst teurer als konventionelle Öl- oder Gasheizungen. Durch niedrigere Betriebskosten sind sie jedoch für den Kunden wirtschaftlich attraktiv.
Moderne Wärmepumpen sind ausgereifte, komfortable und kompakte Geräte, die gleichermaßen im Neu- und Altbau eingesetzt werden können. Je niedriger die benötigte maximale Vorlauftemperatur des Heizsystems, desto effizienter und wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe. Sie sollte daher mit niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden. Bei der Heizungsmodernisierung sind begleitende Wärmedämmmaßnahmen zu empfehlen, die neben der resultierenden Energieeinsparung auch die maximal benötigten Vorlauftemperaturen des bestehenden Hochtemperatur-Heizsystems reduzieren. Einige Hersteller bieten speziell für die Altbausanierung entwickelte Wärmepumpen an, die mit erhöhten Vorlauftemperaturen > 55 °C betrieben werden und damit Handwerkern und Bauherren Lösungen ermöglichen.
2 Grundlagen
2.1 Die Funktionsweise einer Wärmepumpe
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe kennt jeder vom Kühlschrank. Gleiche Technik,
nur umgekehrter Nutzen. Der Kühlschrank entzieht den Lebensmitteln Wärmeenergie, die
er über die Rückseite an die Umgebung abgibt. Die Wärmepumpe nutzt einen kleinen Anteil
hochwertiger Energie, um viel Wärmeenergie, die sonst technisch nicht nutzbar wäre,
auf ein höheres Temperaturnivau „zu pumpen“.
Bild 1: Funktionsprinzip eines Kühlschranks
Das Herz der Wärmepumpe ist der Kältekreislauf, in dem ein FCKW-freies Arbeitsmittel mit extrem niedrigem Siedepunkt zirkuliert. Der Kältekreislauf besteht im wesentlichen aus vier Komponenten:
• Dem Verdampfer, in dem auf niedrigem Temperaturniveau Umweltwärme zugeführt wird. Das Arbeitsmittel verdampft.
• Dem Verdichter, der von einem Elektro- oder Gasmotor angetrieben wird. Das gasförmige Arbeitsmittel wird stark verdichtet und damit auf ein höheres Temperaturniveau angehoben.
• Dem Verflüssiger, in dem die Wärmeenergie an den Heizkreislauf abgegeben wird. Das Arbeitsmittel wird dabei stark abgekühlt und verflüssigt.
• Dem Expansionsventil, in dem der hohe Druck im System abgebaut wird. Das Arbeitsmittel kühlt weiter ab und kann im Verdampfer wieder Umweltwärme aufnehmen.
Bild 2: Zustandsänderung des Arbeitsmittels in einer Wärmepumpe
2.2 Bezeichnung von Wärmepumpen
Eine Wärmepumpenheizung setzt sich aus drei Hauptkomponenten zusammen:
• Der Wärmequellenanlage (WQA), in der dem Erdreich, dem Wasser oder der Luft die Wärmeenergie entzogen wird.
• Der Wärmepumpe (WP), in der mittels elektrischer Energie die Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird.
• Der Wärmenutzungsanlage (WNA), in der die Wärmeenergie an den Nutzer abgeben (Heizkreise, meist als Flächenheizung
Niedertemperaturausführung, Warmwasserbereitung etc.
Die Bezeichnung einer Wärmepumpe richtet sich nach dem Medium, mit welchem die Wärmepumpe primär- und sekundärseitig arbeitet. Unter Primärkreis versteht man hierbei die Wärmequelle, also beispielweise ein im Erdboden zirkulierender Wärmeträger (Sole). Unter Sekundärkreis versteht man das vom Heizkreis im Gebäude verwendete Arbeitsmedium, also üblicherweise (Heizungs-) Wasser.
Medium der Wärmequelle
Luft
Erdreich
(Kollektor, Sonde)
(Grund-) Wasser
Bezeichnung der Elektro-Wärmepumpe
Luft-/ Wasserwärmepumpe
Sole-/ Wasserwärmepumpe
Wasser-/ Wasser-
Wärmepumpe
Medium der Heizungsanlage
Wasser
Wasser
Wasser
Bild 3: Bezeichnung von Wärmepumpen
2.3 Kenngrößen von Wärmepumpen
Eine wichtige Größe zur Beschreibung der Leistungsfähigkeit einer Wärmepumpe ist die Leistungszahl ε. Sie beschreibt das Verhältnis der an das Heiznetz abgegebenen Wärmeleistung in Kilowatt (kW) zur aufgenommenen elektrischen Leistung der Wärmepumpe in Kilowatt (kW).
Eine andere wichtige Größen ist die Jahresarbeitszahl ß (JAZ). Sie beschreibt das Verhältnis der über ein ganzes Jahr ans Heiznetz abgegebene Energie zu der in diesem Zeitraum aufgenommenen elektrischen Energie. Sie kann auch als Anlagennutzungsgrad verstanden werden.
Beide - Leistungszahl und vor allem die Jahresarbeitszahl - sollten möglichst hoch sein, um mit einem Minimum an elektrischer Hilfsenergie auszukommen.
Die Jahresarbeitszahl bietet eine hervorragende Möglichkeit zur energetischen Bewertung der gesamten Anlage. Die Zuordnung der jeweiligen Kenngrößen kann der nachfolgenden Grafik entnommen werden:
Bild 4: Bilanzgrenzen der wichtigsten Wärmepumpenkennzahlen ( Quelle: Bewag/Vattenvall)
2.4 Betriebsweise von Wärmepumpen
Wärmepumpen sind heute in der Lage, ein Gebäude zu 100% mit Wärme zu versorgen. Sie benötigen also keine Zusatzheizung, können jedoch auch mit anderen Heizquellen kombiniert werden. Im Fall einer monovalenten Betriebsweise ist die Wärmepumpe der alleinige Wärmeerzeuger für Heizung und Warmwasserbereitung. Die Wärmequelle muss daher für den ganzjährigen Betrieb der Anlage ausgelegt sein. Um zusätzliche Investitionen in einen zweiten Wärmeerzeuger wie z.B. einen Gaskessel zu vermeiden (bivalente Betriebsweise der Wärmepumpe), wird diese Betriebsweise meist bevorzugt.
Insbesondere für Luft-/Wasser- Wärmepumpen kommt oft eine monoenergetische Betriebsweise zum Einsatz. Die Wärmepumpe wird an den wenigen ganz kalten Tagen durch den Heizstab unterstützend betrieben und läuft über die Mehrzahl aller Heiztage weniger überdimensioniert. Man muss dabei hervorheben, dass es sich bei richtiger Auslegung der elektrischen Zusatzheizung nur um 2- 4% aller Heiztage handelt. Die Energiekosten einer solchen elektrischen Zusatzheizung sind relativ gering und betragen für ein durchschnittliches Einfamilienhaus ca. 50- 100 Euro/a.
2.5 Vorschriften und Genehmigungen
Der Betrieb von Wärmepumpenheizungen ist beim zuständigen Energieversorger (Versorgungs- Netz- Betreiber- VNB) zu beantragen. Der Kunde erhält dabei einen sog. Wärmepumpentarif, dessen Schwachlastanteil um ein bis zwei Drittel unter dem marktüblichen Strompreis liegt. Hierfür ist ein zweiter Stromzähler zu installieren. Auch ist ein Drehstromanschluss vorzusehen.
Bei der Erschließung der Wärmequellen Boden und Wasser mittels Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden oder Grundwasserbrunnen sind die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes und die dazu erlassenen Verwaltungsvorschriften der Länder zu beachten. Erdwärmesonden bedürfen einer wasserrechtlichen Erlaubnis, die üblicherweise vom Brunnenbohrunternehmen eingeholt wird. In der Regel gibt es bei der Genehmigung keine Probleme.
Für die Wärmequelle Wasser (Grund- und Oberflächenwasser) ist eine Genehmigung einzuholen, die ebenfalls meist durch das Bohrunternehmen eingeholt wird. Für Horizontalabsorber besteht nur bei Grundwassernähe Anzeigepflicht, Luft-/Wasser- Wärmepumpen sind genehmigungsfrei.
3 Wärmequellen und Anlagekonzepte
Hinsichtlich der "angezapften" Wärmequelle unterscheidet man die folgenden drei Gruppen von Wärmepumpen:
3.1 Luft-/ Wasser- Wärmepumpen
Luft-/ Wasser- Wärmepumpenanlagen entnehmen die benötigte Energie der Außenluft. sie verfügen über eine Reihe von Vorteilen:
• einfache Installation,
• Wärmequelle sehr kostengünstig zu erschließen,
• bei hoher Außentemperatur hohe Leistungszahlen erreichbar,
• kein Bewilligungsverfahren,
• keine besonderen Anforderungen an die Grundstücksgröße,
• ohne Fremdfirmen ( z.B. Tiefbauunternehmen) umsetzbar.
Die Investitionskosten einer Luft-/Wasser- Wärmepumpenanlage liegen deutlich niedriger als eine vergleichbare Anlage mit Erdwärmekollektor. Luft-/Wasser- Wärmepumpen arbeiten im Winter mit einer relativ kalten Wärmequelle. Deshalb wird pro Jahr etwas mehr Antriebsenergie als bei anderen Bauarten benötigt. Trotzdem werden z.B. in der Schweiz heute aufgrund der Einfachheit des Systems bereits 54% aller Wärmepumpenheizungen als Luft-/Wasser- Wärmepumpenanlage ausgeführt.
Bild 5: Luft-/Wasserwärmepumpe
Als Wärmequelle kann auch Abluft aus Gebäuden oder der Industrie eingesetzt werden. Steht eine konstante Wärmequelle mit hohem Temperaturniveau zur Verfügung, lassen sich hohe Leistungszahlen erreichen. Darüber hinaus lassen sich bei Absorber- Wärmepumpenanlagen vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten des Absorbers ( z.B. Energiedach, Energiezaun, Fassadenintegration etc.) realisieren.
3.2 Wärmepumpenanlage mit Erdwärmekollektor
Horizontal- Kollektoren sind in der Regel kostengünstiger als Erdwärmesonden zu errichten. Die Verlegung einer Erdwärmesonde erfolgt üblicherweise in Fremdleistung durch ein Fachunternehmen.
Während für die Errichtung einer Erdwärmesonde zur Beheizung eines Einfamilienhauses überschlägig von Kosten um 5.000- 6.000 Euro pro Sonde ausgegangen werden kann, liegt die Verlegung eines Erdwärmekollektors bei etwa der Hälfte. Dazu kommt, dass Erdwärmekollektoren und Erdwärmesonden mit zunehmendem Dämmstandard kleiner ausfallen können. Ein Erdwärmekollektor arbeitet als geschlossenes System mit einer Sole als Wärmeträger, für das ein Wasser- Glykol- Gemisch verwendet wird.
Bild 6: Wärmepumpenheizung mit Erdwärmekollektor
Vorteile von Erdwärmekollektoren:
• ganzjährig verfügbar (monovalente Betriebsweise),
• ganzjährig hohes Temperaturniveau der Wärmequelle ( ca. +0°C bis +15°C),
• geschlossenes System mit unbedenklichem Solemedium,
• einfache Erschließung der Wärmequelle.
Die Frage, ob über einem Erdwärmekollektor pflanzen und Bäume schlechter wachsen, kann eindeutig mit "Nein" beantwortet werden. Bei richtiger Planung und Ausführung eines Erdwärmekollektors ist dieser Fall ausgeschlossenen. Negative Beispiele aus der Vergangenheit ließen sich immer mit fehlender oder mangelhafter Planung bzw. Ausführung begründen. Aus diesem Grunde müssen die Kollektorrohre in einer Mindesttiefe von 1,2 Meter und in einem mindestabstand von 0,5 Meter verlegt werden. Andernfalls kann es im Boden zur Bildung eines geschlossenen Eispanzers kommen.
3.3 Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonden
Ist die Fläche für einen horizontalen Erdwärmekollektor nicht vorhanden, so gibt es die Möglichkeit der senkrechten bzw. schrägen Anordnung. Diese Art von Kollektor wird als Erdwärmesonde bezeichnet.
Erdwärmesonden reichen in Tiefen von 10 - 100 m. Voraussetzungen für die Planung und Einbringung von Erdwärmesonden sind die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, des Bodenwiderstandes sowie der Existenz von Grund- und Schichtenwasser und der Bestimmung von dessen Fließrichtung. Da bei der Bohrung in der Regel Grundwasser führende Schichten getroffen werden, ist eine wasserrechtliche Erlaubnis zum Betrieb der Erdwärmesondenanlage einzuholen. ( Wasserbehörde)
Für den Gebäudestand und für Neubauten in Ballungsräumen mit geringem Freiflächenangebot eignen sich Erdwärmesonden besonders, da eine Nachrüstung mit Erdwärmekollektoren oft aus Platzmangel nicht möglich ist. Ansonsten gelten die gleichen Vorteile wie für Erdwärmekollektoren.
Bild 7: Wärmepumpenheizung mit Erdwärmesonde
3.4 Wärmepumpenanlage mit Grundwassernutzung
Grundwasser mit seiner ganzjährigen Temperatur von 8- 12°C bietet als Wärmequelle gute Bedingungen zum Betrieb einer Wärmepumpe. Hierbei wird über eine Tauchpumpe aus dem Förderbrunnen Grundwasser entnommen, über den Verdampfer der Wärmepumpe bzw. einen Zwischenwärmetauscherkreis geleitet, dabei abkühlt und über den Schluckbrunnen wieder zurückgeführt. Der Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen sollte zur Vermeidung von thermischen Kurzschlüssen mindestens 10m betragen. Die Fließrichtung, die Ergiebigkeit und Wasserqualität sind im Vorfeld durch Pumpversuche zu ermitteln.
Durch lokal jahreszeitlich stark schwankende Grundwasserqualitäten ist im Vorfeld der Anlagenplanung eine Wasseranalyse notwendig. Unterbleibt diese, besteht die Gefahr der Verockerung des Schluckbrunnens und der Korrosion (Herstellerhinweise beachten).
Vorteile der Grundwassernutzung
► ganzjährig verfügbar (monovalente Betriebsweise)
► höchster Wirkungsgrad, da Wasser bei ganzjährig relativ konstanten und hohen Temperaturen zwischen 8°C und 12°C zur Verfügung steht.
Bild 8: Wärmepumpenheizung mit Grundwassernutzung
4 Wärmepumpengeräte und Nutzungsmöglichkeiten
Heutige Wärmepumpen sind Platz sparende und kompakte Geräte. An den Aufstellungsort werden keine besonderen Anforderungen gestellt, einige Luft-Wärmepumpen können auch außerhalb des Gebäudes aufgestellt werden. Wärmepumpensysteme können optimal auf die Nutzungswünsche des Kunden ausgewählt und angepasst werden. Sie erfüllen allen Anforderungen, die an ein modernes Gebäude gestellt werden, und werden daher im Rahmen der EnEV entsprechend berücksichtigt.
Der Markt bietet neben reinen Trinkwasser- und/oder Heizungswärmepumpen auch eine Vielzahl von Kombigeräten zur zusätzlichen, kontrollierten Wohnungslüftung, zur Wärmerückgewinnung oder zur Gebäudeklimatisierung.
Bei der passiven Kühlung erfolgt die Wärmeübertragung z.B. aus dem Gebäude ins Erdreich, indem im Sommer bei ausgeschalteter Wärmepumpe die Heizungspumpe und die Kollektorpumpe geschaltet werden. Zusätzlich existieren Systeme, die durch eine aktive Kühlung ergänzt werden können.
Alle Wärmepumpenheizungen lassen sich gut mit Solarkollektoren zur Trinkwassererwärmung oder Heizungsunterstützung kombinieren. Der gleichzeitige Betrieb einer Solaranlage ist besonders primärenergetisch sinnvoll, da der (Primär-) Energieaufwand für jede solar erzeugte Kilowattstunde Wärme nahezu gegen null geht und damit der Betreiber Stromkosten für die Wärmepumpe spart.
5 Planung von Wärmepumpenanlagen
5.1 Fahrplan für die Planung einer Wärmepumpe
Alle BDH- Mitgliedsunternehmen bieten umfangreiche Planungsinformationen über ihre Wärmepumpensysteme. Schon frühzeitig im Planungsprozess sollten die Anfragen beim Energieversorgungsunternehmen und dem zuständigen Bauamt erfolgen.
5.2 Jahresarbeitszahl und Aufwandszahl als Planungsgröße
Die Auslegung der Wärmepumpe ist maßgeblich von der Wärmequellentemperatur sowie der Vorlauftemperatur des Heizkreises abhängig. Die Bewertung der Wärmepumpenheizung wird in der DIN 4701-1 und der Energieeinsparverordnung (EnEV) festgelegt. Darin gehen sowohl die Leistungszahl als auch die erreichte Jahresarbeitszahl ein, der erforderliche Strombedarf wird primärenergetisch bewertet. Planung und Ausführung nach dem Stand der Technik sollten Jahresarbeitszahlen größer 3,0 im realen Anlagenbetrieb zum Ziel haben und damit Aufwandszahlen kleiner 0,3 realisieren.
5.3 Daumenwerte für die Planung der Wärmequelle
Die nachfolgenden Angaben sind Überschlagswerte. In jedem Fall sind die Herstellerangaben zu berücksichtigen.
Wärmequelle Luft
Die Wärmequelle Außenluft ist uneingeschränkt verfügbar. Die Einsatzgrenzen der Wärmepumpen reichen von +30°C bis -20°C. Aufgrund der mit fallenden Außentemperaturen abnehmenden Heizleistung wird meist ein monoenergetischer bzw. bivalenter Betrieb der Wärmepumpe realisiert, um die erforderlichen Investition zu verringern. Die Geräte können außerhalb des Gebäudes (TA-Lärm beachten) oder im Gebäude aufgestellt werden.
Erdwärmekollektoren
Als Kollektor wird meist Kunststoffrohr (PE-HD) in den Querschnitten DN20, DN25 oder DN32 eingesetzt. Die Rohre werden in 1,2- 1,5m Tiefe bei einem Rohrabstand von 0,5-0,8m verlegt. Der Boden sollte unverbaut, nicht überdacht (beregnet) oder verdichtet sein. Abhängig von der Bodenfeuchte oder Bodenbeschaffenheit können ca. 25W/m² Wärmeeintragsleistung vom Absorber für die Wärmepumpe bereitgestellt werden.
Es wird etwa das 1,5-2 Fache der beheizten Wohnfläche an Horizontalabsorberfläche benötigt. Dies entspricht ca. 30m² Bodenfläche je kW Heizlast.
Erdwärmesonden- Wärmepumpen
Erdwärmesonden werden in 10-100m Tiefe eingebracht. Abhängig von der Bodenfeuchte und der Beschaffenheit können ca. 50W/m Wärmeeintragsleistung aufgenommen werden. Für ein Einfamilienhaus mit 120m² Wohnfläche und einer Heizlast von 7,3 kW werden z.B. zwei Sonden à 63m angelegt.
Grundwasser-Wärmepumpen
Förder- und Schluckbrunnen sollten mindestens 10m auseinander liegen. Im Einfamilienhaus sind die Brunnen üblicherweise 6-10m tief. Es können ca. 4kW pro m³/h Grundwasserstrom entnommen werden, wobei eine Temperaturabsenkung von 3K (max. 5K nach Wasserhaushaltsgesetz) realisiert wird.
6 Schnittstelle zu beteiligten Gewerken
Die Installation der Wärmepumpe wird vom SHK- Handwerk (von uns) ausgeführt. Erdarbeiten können je nach Umfang und Schwierigkeit auch bauseits durch den Kunden erbracht werden, wobei die Fachberatung des Handwerkers gewährleistet sein muss. Für die Errichtung einer Erdwärmesondenbohrung ist eine Spezialfirma notwendig. Adressen eingetragener Bohrfirmen können beispielweise der Internetseite www.waermepumpe.de entnommen werden.
Bei der Koordination der Gewerke tritt die Bohrfirma in der Regel als Subunternehmer auf. Bei der Wahl der ausführenden Unternehmen sollte deren Qualifikation am zweckmäßigsten durch Referenzen nachgewiesen werden.
Nehmen Sie frühzeitig Kontakt mit dem zuständigen Energieversorgungsunternehmen auf. Neben der Anmeldung der Wärmepumpe stehen die Anschlussbedingungen, die möglichen Wärmepumpentarife und evtl. mögliche Zuschüsse auf Ihrer Liste.
Eine Wärmepumpenanlage braucht einen Drehstromanschluss mit eigenem Zähler. Für die Ausführung des elektrischen Anschlusses sind neben den Geräteangaben des Wärmepumpen- Herstellers die technischen Anschlussbedingungen (TAB) maßgeblich.
7 Inspektionshinweise
Wärmepumpen sind wartungsärmer als Standardheizgeräte. Die Wartungsfrei- Intervalle bezogen auf den geschlossenen Kältekreislauf können produktspezifisch bis zu 10 Jahre betragen. Wasser- und luftseitig können betriebsbedingt je nach Verschmutzung des Wärmeübertrager kürzere Wartungsintervalle erforderlich sein.
Anders als auf Verbrennung basierende Heizungsanlagen ist die Wärmepumpe vom gesetzlichen Wartungszwang nach der Bundes- Immissionsschutzverordnung (BImSchV) befreit. Die Investitionskosten für einen Schornstein und dessen Wartung sind nicht erforderlich.
8 Fazit
Kaum eine andere Heiztechnick bietet jetzt und in näherer Zukunft gegenüber den konventionellen Heiztechniken eine derart überzeugende Alternative, die zudem dem SHK-Betrieb eine interessante Aufgabe bereitet. Das Gebäude kann ganzjährig beheizt werden, je nach Wärmepumpe und Wärmequelle ist eine Zusatzheizung nicht erforderlich. Die Technik ist ausgereift, Kompaktgeräte bieten zusätzliche Nutzungsmöglichkeiten wie kontrollierte Lüftung, Wärmerückgewinnung oder Klimatisierung und erfüllen damit in idealer Weise die Erfordernisse an modernen Wohnraum.