Sie gilt als das Heizsystem der Zukunft: Die Wärmepumpe. Wie sie funktioniert und wann ihr Einsatz sinnvoll ist finden Sie in diesem Beitrag.
Mit einer Wärmepumpe wird Umweltwärme, die im Erdreich, im Wasser oder in der Luft gespeichert ist, zur Raumheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Die Umweltwärme erneuert sich permanent durch Sonneneinstrahlung, Niederschläge und Wärme aus dem Erdinneren. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung diese Umweltwärme und bringt sie auf die für den Heizkreislauf und für die Warmwasserbereitung erforderliche Temperatur. Wärmepumpen eignen sich besonders für die Beheizung von gut gedämmten Ein- und Mehrfamilienhäusern und ermöglichen eine komfortable und emissionsarme Heizung. Ohne eine gute Dämmung hat selbst die beste Wärmepumpe keinen Sinn, in der energetisch thermischen Sanierung sollte daher die Dämmung des Gebäudes zuerst im Fokus stehen.
Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank – quasi nur umgekehrt. Während ein Kühlschrank den Lebensmitteln, also dem Innenraum des Kühlschranks, Wärmeenergie entzieht und diese nach außen leitet, macht eine Wärmepumpe das Gegenteilige: Sie entzieht der Umgebung außerhalb des Gebäudes Wärmeenergie und macht sie für die Heizung im Innenbereich nutzbar. Neben der Raum- bzw. Außenluft ist eine Wärmepumpe in der Lage, die Wärmeenergie aus dem Grundwasser und dem Erdreich anzuzapfen. Und weil die Temperatur dieser so gewonnenen Wärme in der Regel nicht genügt, um ein Gebäude oder das Warmwasser zu erwärmen, bedient man sich des thermodynamischen Prozesses.
Damit dieser Prozess funktioniert, ist der Einsatz von Strom zum Betrieb eines Kompressors notwendig. Mit Hilfe dieses Kompressors wird die Wärme auf das benötigte Temperaturniveau „gepumpt“, daher auch der Name Wärmepumpe. Wenn die Wärmepumpe optimal funktioniert, ist lediglich ¼ an elektrischer Energie für diesen Vorgang notwendig. ¾ der Energie kommen gratis aus der Umwelt. Jedoch ist dieses Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zu erzeugter Wärme nicht konstant. Je höher die Umweltwärme „gepumpt“ werden muss, d.h. je höher die benötigten Temperaturen im Haus (für Heizung und Warmwasser) bzw. je niedriger die Temperatur der Umweltwärme ist, desto mehr elektrische Energie ist notwendig.
Unabhängig davon, welche Wärmequelle zur Wärmeerzeugung genutzt wird, gehört der Kältekreisprozess, der in vier Schritten erfolgt, immer zur Funktionsweise der Wärmepumpe:
Um eine Flüssigkeit verdampfen zu können, muss man Energie zuführen. Das kann man bei Wasser sehr gut beobachten. Wird ein Topf mit Wasser auf 100 Grad Celsius erwärmt (Wärmeenergie zugeführt), beginnt das Wasser zu verdampfen. Wird dann weiter Wärmeenergie zugeführt, steigt die Temperatur des Wassers nicht weiter an. Stattdessen wird das Wasser vollständig zu Dampf umgewandelt.
Im Verdampfer wird die Umweltwärme, wie z. B. Wärme aus dem Grundwasser, aufgenommen und dazu verwendet das in der Wärmepumpe zirkulierende Kältemittel zu verdampfen. Das Quellmedium kühlt dabei ab.
Wird ein Gas, zum Beispiel Luft, zusammengedrückt (der Druck erhöht), erhöht sich auch die Temperatur. Man kann dieses erfahren, wenn man bei einer Fahrradluftpumpe die Öffnung zuhält und die Luft zusammendrückt – der Zylinder der Luftpumpe wird warm.
Der Verdichter bzw. Kompressor erhöht den Druck des nunmehr gasförmigen Kältemittels. Dadurch steigt die Temperatur im Kältemittel auf das Niveau der Heizung. Der Kompressor benötigt zum Betrieb elektrische Energie.
Da Energie nicht verloren gehen kann, wird, wenn Wasserdampf kondensiert, wird die zuvor zum Verdampfen eingesetzte Wärmeenergie wieder freigesetzt.
Im Verflüssiger bzw. Kondensator gibt das gasförmige Kältemittel die Energie an den Heizkreis ab. Dabei verflüssigt sich das Kältemittel wieder.
Wird bei einer unter Druck stehenden Flüssigkeit der Druck schlagartig abgesenkt, sinkt die Temperatur um ein Vielfaches. Dies kann man zum Beispiel an einer Flüssiggasflasche bei einem Campinggaskocher beobachten. Wird das Ventil geöffnet, kann es selbst im Sommer zur Eisbildung an dem Ventil der Flüssiggasflasche kommen. (Hier wird der Druck von etwa 30 bar auf 1 bar abgesenkt.)
Das Expansionsventil reduziert den Druck des Kältemittels wieder auf das ursprüngliche Maß. Dabei sinkt die Temperatur im Kältemittel ab und der Kreislauf der Wärmepumpe beginnt von neuem.
Diese Prozesse finden innerhalb der Wärmepumpe in einem geschlossenen Kreislauf statt. Für den Wärmetransport wird eine Flüssigkeit (Kältemittel) verwendet, die bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Um diese Flüssigkeit zu verdampfen, wird Wärmeenergie zum Beispiel aus dem Erdreich oder der Außenluft verwendet. Dafür reichen sogar Temperaturen von minus 20 Grad Celsius aus. Der kalte Kältemitteldampf, zum Beispiel -20 Grad Celsius, wird dann sehr stark zusammengedrückt. Dabei erwärmt er sich bis auf eine Temperatur von bis zu 100 Grad Celsius. Dieser Kältemitteldampf wird kondensiert und gibt die Wärme an das Heizsystem ab. Anschließend wird der Druck des flüssigen Kältemittels stark abgesenkt. Dabei sinkt die Temperatur der Flüssigkeit auf das Ausgangsniveau. Der Prozess kann von vorn beginnen. Frühere Kältemittel hatten große Auswirkungen auf die Zerstörung der Ozonschicht unserer Atmosphäre und auf den Treibhauseffekt. Die heute erhältlichen Kältemittel haben geringere Auswirkungen auf das Ozonloch. Auch das Treibhausgefährdungspotenzial wurde verringert. Trotzdem muss am Ende der Lebensdauer einer Wärmepumpe das Gerät entsprechend fachgerecht entsorgt werden.
Das Erdreich ist eine sehr gute Wärmequelle. Bis zu einer Tiefe von 20 m dominiert der Wärmeeintrag über die Erdoberfläche durch Sonnenstrahlung und Regen. Hier ist die Erdtemperatur auch den jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Die mittlere Temperatur liegt in dieser Zone bei ca. 7 – 11 °C. Unterhalb von 20 m steigt die Temperatur um ca. 3 Grad pro 100 m.
Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten diese Wärme zu nutzen:
Erdwärmesonden werden senkrecht (bis zu 150 m Tiefe) in den Boden gebohrt. In das gebohrt Loch wird das Rohrsystem, die so genannte Sonde eingebracht. Diese besteht in der Regel aus zwei U-förmigen Kunststoffrohren. Für Erdwärmesonden gilt baurechtlich betrachtet die Anzeigepflicht. Die Länge der Sonde wird durch die benötigte Heizleistung und die Geologie des Untergrundes bestimmt. Je mehr Energie Ihr Gebäude benötigt, desto länger muss die Sonde werden und damit verbunden steigen auch die Kosten für die Bohrung. Daher sollte ein Bestandsgebäude IMMER vorher thermisch saniert werden. Um die Größenordnung der Sondenlänge in Metern abzuschätzen, kann als Faustformel die Heizleistung in kW mit 20 multipliziert werden. Für die exakte Dimensionierung ist ein geologisches Gutachten über die tatsächliche Sondenlänge notwendig.
Zur Erstellung eines Erdkollektors werden Rohre oder Matten im Erdreich etwa 20 cm unterhalb der Frostgrenze verlegt. Damit ergeben sich Verlegetiefen von ca. 1,5 bis 2,0 m. Die Temperaturen in dieser Schicht im Erdreich sind nicht besonders hoch, was der Effizienz etwas schadet. Außerdem benötigt diese Art der Verlegung viel Fläche und eignet sich daher nur für Grundstücke mit größerer Grundfläche. Die verlegte Fläche darf nicht überbaut oder asphaltiert werden, da sonst der Regen und Sonne das Erdreich nicht mehr regenerieren kann. Ein bepflanzen der Fläche ist, mit Ausnahme von Tiefwurzlern, jedoch problemlos möglich. Für Erdkollektoren gilt nur in wasserrechtlich besonders geschützten Gebieten und in geschlossenen Siedlungsgebieten ohne zentrale Trinkwasserversorgung die wasserrechtlich Bewilligungspflicht.
Die Fläche des Erdkollektors wird durch die benötigte Heizleistung und die Bodenbeschaffenheit des Untergrundes bestimmt. Je mehr Energie Ihr Gebäude benötigt, desto größer muss die Fläche werden und damit verbunden steigen auch die Kosten für die Erdarbeiten. Daher sollte ein Bestandsgebäude IMMER vorher thermisch saniert werden. Um die Größenordnung der Sondenfläche in m² abzuschätzen, kann als Faustformel die Heizleistung in kW mit 30 multipliziert werden. Diese Fläche entspricht meist dem eineinhalb bis dreifachen der beheizten Wohnfläche. Ideal sind feuchte Lehmböden. Weniger geeignet sind trockene Schotterschichten, denn dann vergrößert sich der Flächenbedarf. Für die Dimensionierung ist die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit notwendig.
Für beide Geothermie-Systeme gilt:
An Anzahl und Tiefe der Sonden bzw. Größe des Kollektors darf nicht gespart werden. Zu klein dimensionierte Sondenanlagen unterkühlen auf Dauer (mehrere Jahre) das Erdreich. Dadurch sinkt die Effizienz und im Extremfall kann durch Eisbildung im Untergrund die Sonde nachhaltig zerstört werden bzw. die Entzugsleistung absinken.
So genannte Direktverdampfer-Wärmepumpen sind spezielle Wärmepumpen, die auf einen separaten Sole-Kreislauf verzichten. Um dies zu bewerkstelligen, ist der Verdampfer nicht in der Wärmepumpe eingebaut. Dieser wird an Ort und Stelle meist in Form eines Flachkollektors oder einer so genannten CO2 -Sonde verbaut. Der Vorteil dieser Variante ist, dass sowohl der Wärmetauscher als auch die Solepumpe wegfallen. Dadurch wird die Effizienz der Wärmepumpe gesteigert.
Das Grundwasser ist aufgrund der konstant hohen Temperatur die geeignetste Wärmequelle. Auch größere Energiemengen sind mit der Wärmequelle Grundwasser meist einfach und kostengünstig zu decken. Über ein Brunnensystem – den Saugbrunnen – wird Grundwasser zur Wärmepumpe gefördert, dort abgekühlt und über einen Schluckbrunnen wieder zurückgegeben. Die beiden Brunnen sollten einen Abstand von ca. 15 m haben, wobei der Saugbrunnen in der Fließrichtung des Grundwassers vor dem Schluckbrunnen angeordnet werden muss. Wichtig bei der Installation von Grundwasserwärmepumpen ist neben der ausreichenden Schüttleistung, d.h. dem ausreichend vorhandenen Grundwasserstrom, auch die Wasserchemie. So kann z.B. die Brunnenanlage verockern, d.h. der Brunnen wird unbrauchbar. Eine Wasseranalyse ist unbedingt notwendig.
Folgende Punkte sind zu beachten:
Die Nutzung von Grundwasser unterliegt immer einer wasserrechtlichen Bewilligung. Die Fördermenge der Brunnenpumpe wird durch die benötigte Heizleistung bestimmt. Je mehr Energie Ihr Gebäude benötigt, desto größer muss die Brunnenanlage werden. Daher sollte ein Bestandsgebäude IMMER vorher thermisch saniert werden. Um die Größenordnung der Fördermenge in Liter pro Stunde abzuschätzen, kann als Faustformel die Heizleistung in kW mit 300 multipliziert werden.
Auch die Außenluft eignet sich als Wärmequelle. Die Außenlufttemperatur unterliegt aber im Jahresverlauf den größten Schwankungen. Gerade zu Zeiten des größten Energiebedarfes im Winter ist die Außenlufttemperatur am geringsten. Dies wirkt sich auf die Effizienz der Wärmepumpe aus. Da aber die Luft überall verfügbar und für die Installation keine baurechtliche Genehmigung notwendig ist, kann der Einsatz einer Luft-Wasser Wärmepumpe vor allem bei sehr niedrigen Vorlauftemperaturen (≤ 35 °C) eine gute Alternative darstellen.
Bei Temperaturen unter 5 °C und vor allem bei hoher Luftfeuchtigkeit, z.B. Nebel, entsteht beim Wärmeentzug der Luft im Verdampfer der Wärmepumpe Kondenswasser, das gefriert. Dieser Eisfilm muss abgetaut werden, da er, ähnlich der Abtauung beim Kühl- und Gefrierschrank, die Funktion und die Effizienz beeinträchtigt. Für diese Abtauung ist Energie notwendig. Intelligente Abtauprogramme helfen den Energieverbrauch niedrig zu halten. Der Ablauf des Kondenswassers muss ganzjährig gesichert sein.
Bei einer Luftwärmepumpe werden große Luftmengen bewegt (oft mehrere tausend Kubikmeter pro Stunde). Diese Luftbewegungen sind natürlich hörbar. Daher sollte bei der Wahl des Aufstellungsortes bzw. bei der Anbringung der Ansaug- und Ausblasöffnungen das entstehende Geräusche berücksichtigt werden. Eine Aufstellung in der Nähe von Schlafzimmern sollte vermieden werden. In dicht bebauten Gebieten mit vielen schallharten Oberflächen ist der Einsatz einer Luft-Wärmepumpe genau zu prüfen. Spezielle Hauben und langsam laufende drehzahlgesteuerte Ventilatoren helfen den Geräuschpegel zu senken.
Die Rechtliche Grundlage für die schalltechnischen Grenzwerte von haustechnischen Anlagen, zu denen auch Luftwärmepumpen gehören, findet man in der Tiroler Gas-, Heizungs- und Klimaanlagenverordnung 2014 – TGHKV 2014, §3, Punkt 7. Die Grenzwerte unterscheiden sich je nach Widmung und Tageszeit. Moderne Geräte haben meist die Möglichkeit einer Schallabsenkung für die Nachtstunden, was die Einsatzmöglichkeiten der Luftwärmepumpe wesentlich erweitert. Wichtig dabei ist, dass nicht nur die Ventilatordrehzahl sondern auch die Kompressorleistung reduziert wird. Bei richtiger Auslegungen der Anlage in einem gut gedämmten Gebäude wird sich diese Leistungsreduktion nicht negativ auf den Komfort oder die Effizienz auswirken. Nicht alle am Markt verfügbaren Geräte verfügen über die Koppelung von Ventilatordrehzahl und Leistungsregelung, sollte Schallreduktion Thema sein, muss man diese also mit bedenken.
Eine gute Möglichkeit, auf dicht bebauten Grundstücken mit wenig Abstand zu den Nachbargebäuden die Emissionsgrenzen zu erreichen, ist der Einbau einer innenliegenden Luftwärmepumpe. Bei dieser Variante befinden sich alle Bauteile (auch der Ventilator) innerhalb der Gebäudehülle. Wetterschutzgitter und Lichtschächte dämpfen zusätzlich die Schallemission. Wird der Aufstellungsort in der Planung des Hauses vorab berücksichtigt, wird kein zusätzlicher Platz, verglichen mit anderen Wärmepumpensystemen, benötigt (Eckaufstellung).
+ Günstig in der Anschaffung
+ Besonders empfehlenswert für geringe Wärmemengen
+ Fast überall einsetzbar
– Der Schall der Wärmepumpe erfordert Rücksichtnahme auf die Umgebung
+ Egal ob Erdwärmesonde, Flachkollektor oder Ringgrabenkollektor – die Effizienz ist etwas höher als bei Luft-Wärmepumpen
+ Langlebigkeit: Von der Investition in eine Erdwärmesonde werden auch noch Ihre Kinder profitieren
– Preislich sind Wärmepumpen mit Erdwärme die teuerste Lösung
– Nicht jeder Untergrund ist gleich gut für Erdwärmeanlagen geeignet
– Beim Einbau muss mit größerem Baugerät gearbeitet werden (Bagger & Bohrgerät), daher muss die Zufahrt gesichert sein
+ Zweifelsohne die effizienteste Wärmequelle, da sie auch im Winter relativ hohe Temperaturen aufweist
+ Besonders geeignet ist die Wärmequelle für größere Heizungsanlagen
– Leider ist nicht überall in Tirol ausreichend Grundwasser in gewünschter Qualität verfügbar
– Die Pumpe zur Förderung des Grundwassers benötigt elektrische Energie, daher kann der Einsatz bei zu tief liegendem Grundwasser unwirtschaftlich sein
– Es muss auf den entsprechenden Abstand (15 m) zwischen den beiden Brunnen geachtet werden
So genannte Kompaktgeräte sind Geräte, die mehrere Funktionen in einem Gerät vereinen. Die Geräte beinhalten meist eine Wärmepumpe, ein Lüftungsgerät für die Komfortlüftung und eventuell auch einen
Warmwasserspeicher. In diesen Geräten erfüllt die Wärmepumpe sowohl die Funktion der Warmwasserbereitung, als auch die Bereitstellung von Heizungswärme für ein Fußbodenheizungssystem und/oder die Luftnachheizung.
Systeme mit Luftheizung sollten ausschließlich bei Heizlasten von weniger als 10 W/m² bei einem HWB(sk) von weniger als 10 kWh/m²a eingesetzt werden. In diesem klar definierten Anwendungsbereich erfüllen sie aber ihre Aufgaben sehr kosten- und energieeffizient, da meist auch die warme Abluft der Wohnräume als Wärmequelle genutzt wird. Dies erhöht die Effizienz der Kompaktgeräte.
Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist jener Wert, der in den technischen Datenblättern der Hersteller zu finden ist. Dieser Wert, auch COP (Coefficient Of Performance) genannt, spiegelt bei einem bestimmten Betriebspunkt z.B. Sole mit 0°C und ein Heizungsvorlauf mit 35°C (B0/W35) die Verhältniszahl der eingesetzten elektrischen Energie zur erzielten Wärme wider. Zum Vergleich: dies ist wie der Spritverbrauch eines Autos bei exakt 80 km/h.
Für den tatsächlichen Betrieb der Anlage ist jedoch nicht die Leistungszahl, sondern die so genannte Jahresarbeitszahl (JAZ) ausschlaggebend. Diese Jahresarbeitszahl ist zu vergleichen mit dem tatsächlichen Verbrauch (nicht mit den Herstellerangaben) eines Autos. Im Unterschied zur Leistungszahl werden bei der Jahresarbeitszahl alle Betriebszustände (unterschiedliche Temperaturen) während eines Jahres betrachtet. Dies ist eher geeignet, eine Wärmepumpe zu beurteilen. Denn das Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zu erzeugter Wärme ist nicht konstant. Je höher die Umweltwärme „gepumpt“ werden muss, d.h. je höher die benötigten Temperaturen im Haus (für Heizung und Warmwasser) bzw. je niedriger die Temperatur der Umweltwärme ist, desto mehr elektrische Energie ist notwendig. Die JAZ ist bei jedem Objekt individuell und im Wesentlichen von der Temperatur der Wärmequelle auf der einen und von der Vorlauftemperatur der Heizung und der Warmwassertemperatur auf der anderen Seite abhängig.
Neben einer möglichst hohen Temperatur der Wärmequelle (Grundwasser, Erdreich, Luft) ist die Temperatur der Wärmeabgabe (Vorlauftemperatur) der wichtigste Parameter für eine effiziente Wärmepumpe. Die Auslegungstemperatur der Wärmeabgabe soll im Neubau am kältesten Tag (Normaußentemperatur) unter 40 °C betragen. Diese Temperatur erreicht man in der Regel über eine Fußbodenheizung bzw. eine Wandheizung. Auch Niedertemperaturheizkörper oder spezielle Konvektoren sind eine gute Möglichkeit. Mit normalen Radiatoren werden diese geringen Vorlauftemperaturen meist nicht erreicht. Im Einzelfall kann bei der Sanierung überprüft werden, ob ein bestehender Heizkörper nach einer thermischen Sanierung des Gebäudes so überdimensioniert ist, dass damit die geringen Temperaturen bewerkstelligt werden können.
Die Wärmepumpenheizung ist vor allem für energieeffiziente Einfamilienhäuser mit einem HWB(sk) ≤ 50 kWh/m²a optimal. Bei einem höheren Heizwärmebedarf erreicht man die gewünschten Vorlauftemperaturen unter 40 °C schwer. Bei sehr geringen Heizlasten sind Wasser-Wasser-Wärmepumpen und Erdsonden aufgrund des Aufwandes für den Grundwasserbrunnen bzw. der Bohrung nur bedingt zu empfehlen.
Wärmepumpen können als alleiniges Heizungssystem (monovalent) oder zusammen mit einem weiteren Heizsystem, z.B. einer bestehenden Öl- oder Gasheizung betrieben werden. Der Umschaltzeitpunkt zwischen den beiden Systemen wird Bivalenzpunkt genannt und bedarf genauer Planung. Bivalente Systeme sind ausschließlich im Sanierungsbereich bei vorhandener Heizung zu empfehlen. In diesem Fall ist auch zu überlegen, ob der doppelte Aufwand für die Investition, die Wartung und Inspektion von zwei Heizungssystemen sinnvoll ist. Im Neubau wird ausschließlich die monovalente Betriebsweise empfohlen. Eine Sonderstellung nimmt die monoenergetische Betriebsweise ein. Dabei wird die zusätzliche Wärmemenge, die die Wärmepumpe nicht erzeugen kann, durch eine Stromdirektheizung abgedeckt. Diese Betriebsweise wird meist bei Luft-Wasser-Wärmepumpen angewandt, um in den kältesten Stunden des Jahres die benötigte Energie bereit zu stellen.
Wenn man einen bestehenden Warmwasserspeicher, oder einen Warmwasserspeicher eines fremden Herstellers mit der Wärmepumpe kombinieren möchte, sollten man unbedingt darauf achten, dass dieser für den Betrieb mit Wärmepumpen geeignet ist. Standardspeicher haben zu kleine Wärmetauscher, sodass die Funktion und die Effizienz der Wärmepumpe nicht gegeben sind. Es ist jedoch auch möglich die Wärmepumpe nur und ausschließlich für die Bereitung von Warmwasser zu nutzen. Als Wärmequellen kommen sowohl Umluft als auch Abluft infrage. Sie ist von der eigentlichen Heizungsanlage entkoppelt und kann mit entsprechenden Komponenten den selbst erzeugten Solarstrom optimal nutzen. Verwendet die Warmwasser-Wärmepumpe die Umluft als Wärmequelle, entfeuchtet sie zugleich den Raum und schützt ihn so vor der Gefahr der Schimmelbildung. Ist sie hingegen an ein bestehendes Luftverteilsystem gekoppelt, kann sie die Räume sogar kontrolliert be- und entlüften. Damit kein Unterdruck entsteht, ist eine aktive Zuluftleitung notwendig.
Auch beim Trinkwasser gilt: je niedriger die Temperatur, desto höher ist die Effizienz der Wärmepumpe. Ein hoher Anteil der Trinkwasserbereitung am Gesamtenergieverbrauch und Temperaturen über 60°C (zur Vermeidung von Legionellen), insbesondere in Kombination mit Zirkulationssystemen sind Rahmenbedingungen, bei denen zu prüfen ist, ob andere Heizsysteme besser geeignet sind, als die Wärmepumpe. Am Anfälligsten für Effizienzeinbußen bei ungünstigen Rahmenbedingungen ist die Luft-Wärmepumpe. Mit einer fundierten Planung und Berechnung der Jahresarbeitszahl schließt man grobe Fehleinschätzungen aus.
Generell kann aus klimapolitischer Sicht die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Solar- oder Photovoltaikanlage empfohlen werden, da nicht nur Primärenergie, sondern auch CO2 eingespart werden kann. Die Entscheidung für ein System ist weniger schwierig als man annehmen möchte. Aktuelle Studien haben ergeben, dass Solar und PV ökonomisch wie auch ökologisch in etwa gleichwertig sind. Allerdings nur, wenn Hydraulik und Regelungstechnik, sowie die Anlagengröße aufeinander abgestimmt sind. Eine weitere Eigenheit die beide Systeme gemeinsam haben: es ist nicht möglich konventionelle Gebäude im Winter mittels PV oder Solaranlage zu beheizen – auch nicht mit Unterstützung der Wärmepumpe.
Der solare Ertrag in den Wintermonaten reicht nicht aus, um den großen Energiebedarf zu decken. Technisch ist dies zwar möglich, jedoch müssten die Anlagen so groß dimensioniert werden, dass die Anlagenkosten stark steigen. Um Planungssicherheit zu erlagen, ist die Simulation der Solar- oder Photovoltaikanlage im Zusammenspiel mit der Wärmepumpe sinnvoll.
Im Folgenden finden Sie einen relativ guten Rechner um zu sehen, ob die Wärmepumpe Sinn macht. Alternativen zu diesem Rechner finden sich noch weiter unten im Beitrag.
Entscheidend für die Langlebigkeit einer Wärmepumpe ist die Laufzeit. Wärmepumpen sollten nach dem Start mindestens eine Laufzeit von 15 Minuten haben. Diese Laufzeiten werden normalerweise dadurch erreicht, dass der Estrich durch die Fußbodenheizung aufgeheizt wird. Wenn aber Regelventile (z.B. Raumthermostate) einen Großteil der Heizfläche abschalten, kann es notwendig sein, dass bei der Wärmepumpenanlage ein Pufferspeicher eingebaut werden muss. Dies ist auch nötig, wenn Energieversorgungsunternehmen die Anlage vom Netz trennen, man spricht hier von sogenannten Sperrzeiten. In dieser Zeit kann eine strombetriebene Wärmepumpenheizung nicht arbeiten. Die Versorgung mit Heizwärme und Warmwasser können in dieser Zeit Pufferspeicher sicherstellen. Anlagenbetreiber sollten dies bei der Planung berücksichtigen. Denn weil die Wärmepumpe in dieser Zeit nicht nur Heizen, sondern auch den Speicher wieder aufladen muss, wird eine höhere Leistung benötigt.
Pufferspeicher müssen sehr genau auf die Anforderungen abgestimmt, nicht überdimensioniert und sorgsam in die Hydraulik eingebunden werden, da ansonsten die Jahresarbeitszahl negativ
beeinflusst wird. Besonders in Zusammenhang mit intelligenten Wärmepumpensteuerungen (Smart Grid) oder dem optimierten Eigenstromverbrauch von Photovoltaikanlagen sind Speicher wichtig.
In modernen Gebäuden mit großen Fenstern entstehen im Sommer, trotz Beschattung, oft höhere Raumtemperaturen als erwünscht. Außerdem bekommt aufgrund des steigenden Komfortempfindens dem
Thema Kühlung immer mehr Bedeutung zu. Die Wärmeabgabesysteme (Fußboden- oder Wandheizung) für den Winter können im Sommer, wenn auch nur begrenzt, zum Kühlen verwendet werden. Die Kühlenergie kann direkt aus dem Erdkollektor, der Erdsonde oder dem Grundwasser kommen. Ein Start der Wärmepumpe ist dazu nicht notwendig. Dies wird daher oft auch als passive Kühlung oder „Free Cooling“ bezeichnet.
Die Leistungsfähigkeit der passiven Kühlung ist begrenzt. Wenn höhere Kühlleistungen erforderlich sind, kann die Wärmepumpe zugeschaltet werden. Wärmepumpen, die zum Kühlen geeignet
sind, sind eigens gekennzeichnet. Diese Betriebsart wird auch aktive Kühlung genannt und benötigt zusätzlich Strom. Grundsätzlich muss bedacht werden, dass nur eine Temperierung, aber keine Kühlung im eigentlichen Sinn möglich ist. Je nach Bodenbelag sind mit einer Fußbodenheizung 10 – 25 Watt/m² Kühlleistung möglich. Ein außenliegender Sonnenschutz leistet einen wesentlich größeren Beitrag, um das Gebäude vor Überhitzung zu schützen. Mit guter Planung lässt sich also Überhitzung vermeiden. Dann ist Kühlung nicht mehr notwendig. Reicht das nicht aus, so kann auf passive Kühlung gesetzt werden. Aktive Kühlung sollte möglichst vermieden werden.
Je nach Wärmequelle benötigt eine Wärmepumpe etwa 20 bis 25 Prozent Strom als Antriebsenergie, um aus Luft, Erdreich oder Wasser Wärme zu erzeugen. Das bedeutet, für die Produktion von zehn Kilowattstunden nutzbarer Wärme werden etwa zwei Kilowattstunden (kWh) Strom benötigt. Der jährliche Verbrauch einer Wärmepumpe hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab. Zu den Wichtigsten zählen:
In Abhängigkeit davon, auf welche Wärmequelle eine Wärmepumpenheizung zurückgreifen kann, verursacht sie unterschiedlich hohe Stromkosten. Grundsätzlich gilt: Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe hat im Vergleich zur Sole-Wasser- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpe einen höheren Stromverbrauch. Das liegt daran, dass Boden und Wasser über das Jahr hinweg verhältnismäßig gleichmäßig Wärme abgeben. Die Temperaturen der Umgebungsluft schwanken stärker. Es wird insbesondere im Winter mehr Energie benötigt, um den Wärmebedarf zu decken. Dafür lassen sich Luft-Wasser-Wärmepumpen nahezu überall aufstellen, benötigen keine behördliche Genehmigung und sind günstiger in Anschaffung und Montage. Denn für die Wärmegewinnung müssen weder Bohrungen noch Grabungen durchgeführt werden.
Bei keiner anderen Heizungsform hängen die ökologische, aber auch die ökonomische Sinnhaftigkeit so sehr von der Art und Weise ab, wie die Anlage zum Gebäude passt und somit die Jahresarbeitzahl (JAZ) beeinflusst wird. Je höher die JAZ, desto effizienter und stromsparender arbeitet also die Wärmepumpe. Die Wärmepumpe sollte bei Berechnung min. eine Jahresarbeitszahl von 3 erreichen, um mit fossilen Energieträgern, bezogen auf die CO2 Emission in Konkurrenz treten zu können. Wird die Zahl unterschritten, besteht die Möglichkeit, dass bei ungünstigen Rahmenbedingungen die ökologische Sinnhaftigkeit verloren geht.
Eindeutiger ist die wirtschaftliche Betrachtung: unter der Annahme eines Strompreises von 16 Cent/kWh beträgt bei einer Jahresarbeitszahl von 3 der Preis pro kWh 5,3 Cent und ist somit, bezogen auf die Betriebskosten, konkurrenzfähig zu allen anderen Energieträgern. Bei Jahresarbeitszahlen unter 3 sind andere Systeme bezogen auf die Betriebskosten tendenziell günstiger. Im Extremfall ist auch ein Verhältnis von 1:2 und darunter möglich.
Neben der Jahresarbeitszahl und der Wärmequelle ist der individuelle Wärmebedarf ein entscheidender Faktor beim Stromverbrauch einer Wärmepumpe. Wie hoch der Wärmebedarf ist, hängt vom individuellen Nutzerverhalten der Bewohner und von dem energetischen Zustand des Gebäudes ab. Unsanierte Altbauten verzeichnen etwa einen höheren Wärmebedarf als gut isolierte Neubauten. Unsanierte Altbauten, die mit Heizkörpern beheizt werden (hohe Vorlauftemperaturen notwendig) und der Einsatz einer Luftwärmepumpe (sehr tiefe Temperatur der Außenluft im Winter) sind sowohl aus ökologischer, als auch aus ökonomischer Sicht zu hinterfragen. Die Hauptvoraussetzung für eine Wärmepumpe ist daher immer eine energetisch thermische Sanierung um Heizwärmebedarf und damit Vorlauftemperatur möglichst niedrig zu halten.
Nicht zuletzt macht es auch einen Unterschied, ob die Wärmepumpe nur zur Erzeugung von Raumwärme oder auch zur Warmwasserbereitung genutzt wird.
Für Wärmepumpen gibt es unterschiedliche rechtliche Voraussetzungen. Je nach Eingriff in die Umwelt sind die Anlagen anzeige- oder bewilligungspflichtig. Grundlegend gelten folgende
Auflagen:
Genauere Informationen gibt es am Bauamt der Gemeinde oder der Bezirkshauptmannschaft.
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