Brauchwasser-Wärmepumpen – Spezialisten für alle Fälle?

Die Anforderungen an warmes Wasser sind hoch, möglichst keimfrei muss es sein. Das bekannte Stichwort lautet Legionellen, deren Wachstum verhindert werden soll. Gerade in Temperaturbereichen von 25 bis 55°C fühlen sich die Bakterien besonders wohl und vermehren sich entsprechend. Erst Temperaturen über 60°C führen zum Absterben. Deshalb werden Warmwassersysteme bevorzugt auf diesem Temperaturniveau oder höher betrieben. Speziell für die Warmwasserbereitung sind die Trinkwasserverordnung (TrinkwV), Anlage 4 Teil I und Teil II und im Besonderen die DVGW Arbeitsblätter W551 und W553 von entscheidender Bedeutung. Demnach fallen Ein- und Zweifamilienhäuser nicht unter die Verordnung, da bei diesen Gebäuden von einem kontinuierlichen Verbrauch und somit geringen Verweilzeiten des Wassers in den Leitungen ausgegangen wird.
Bei größeren Wohneinheiten gibt es zwei grundsätzliche Unterscheidungen: Kleinanlagen und Großanlagen. Beträgt die Speichergröße weniger als 400 l und ist der Inhalt des Rohres vom Warmwasserspeicher bis zur letzten Entnahmestelle geringer als 3 l, so handelt es sich um eine Kleinanlage. Größere Inhalte werden als Großanlage typisiert. Während es bei Kleinanlagen zu keinen weiteren Konsequenzen kommt, so gelten für Großanlagen eine ganze Menge an Anforderungen: Es ist eine gleichmäßige Erwärmung des Speichers zu gewährleis­ten, dieser ist einmal am Tag auf 60°C zu erwärmen. Die Schaltdifferenz darf nicht zu Temperaturen unter 55°C führen, die Austrittstemperatur am Speicher muss mindestens 60°C betragen. Die Zirkulation darf nicht zu Mischzonen im Speicher führen, die Wassertemperatur in der Zirkulation darf nicht weniger als 5K geringer sein als die des Speichers. Es darf keine Zirkulations-Unterbrechungen von länger als 8 Stunden geben. Alternativ sind selbstregelnde Begleitheizungen zulässig. Und als wichtige Konsequenz ergibt sich darüber hinaus: die Untersuchungspflicht auf Legionellen. Die logische Konsequenz ist, die Großanlage weitestgehend zu vermeiden. Brauchwasser-Wärmepumpen passen hier gut ins Konzept.

Aufbau und Komponenten

Die meisten dieser Systeme bieten einen Speicher mit ca. 290 bis 300 l Inhalt. Erhältlich sind viele auch mit einem Register für einen zweiten Wärmeerzeuger, etwa um eine Solaranlage einzubinden. Auf dem Speicher sitzt die eigentliche Wärmepumpe, angetrieben von einem Hubkolbenverdichter mit etwa 1,8 kW Leistung. Gelegentlich wird auch ein Rollkolbenverdichter verwendet. Als Wärmequelle dient die Umgebungsluft, die über Stutzen angesaugt bzw. ausgeblasen wird. Damit entzieht das Gerät dem Raum, in dem sie aufgestellt ist, die Wärme. Über bis zu 10m weit reichende Kanäle kann die Wärme auch anderen Räumen entzogen werden (beispielsweise einem kühler oder trocke­ner gewünschten Vorratskeller). Als Kältemittel wird neben R407c meist R134a verwendet, welches sich wegen einer niedrigeren Drucklage als z.B. R410a besser für einen größeren Temperaturhub eignet. Kondensiert wird oft über einen innen liegenden Rohrwendel-Übertrager. Eine andere Variante ist ein außen liegender Wärmeübertrager, der den Speicher spiralförmig umgibt. Damit wird den Sicherheitsanforderungen besser Rechnung getragen, denn bei einer Leckage kann bei dieser Bauweise das Kältemittel nicht ins Trinkwasser gelangen. Ein E-Heizstab mit ca. 1,5 bis 2 kW Leistung komplettiert das System.
Mit der Brauchwasser-Wärmepumpe werden in der Regel Temperaturen von 55°C erreicht, in einigen Fällen auch 60°C. Werden höhere Temperaturen gewünscht – beispielsweise zur Legionellenprophylaxe – kommt der E-Heizstab zum Einsatz. Durch den begrenzten Speicherinhalt von 300 l eignen sich diese Geräte nur für Haushalte bis maximal fünf Personen. Die Aufheizzeit beträgt meist etwa 8 bis 9 Std. Zwei große Badewannenfüllungen hintereinander sind (wenn überhaupt) nur über den
E-Heizstab möglich.

Gute Arbeitszahlen schaffen

Wie hoch die Effizienz solcher Systeme ist, hängt von den Umständen ab, wie sie eingesetzt werden. Also zunächst von der Raumtemperatur: Neben einem Heizkessel mit Brenner, der den Raum über seine Abwärme mit aufheizt, herrschen gute Bedingungen. Dagegen herrschen neben einer Heizungswärmepumpe, die nur sehr wenig Wärme über den Verdichter abgibt, deutlich schlechtere Gegebenheiten. Werden dazu noch Warmwassertemperaturen gefordert (meist eingestellt durch den Nutzer), die höher sind wie nötig, bleibt von einem guten COP nur wenig übrig. In der Ursachenverkettung für gute Arbeitszahlen ist also der Mensch selbst oft das schwächste Glied. In den Feldstudien der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Umwelt/Ener­gie Lahr, wurden Brauchwasser-Wärmepumpen vermessen. Die dabei ermittelten Jahresarbeitszahlen (JAZ) von etwa 1,9 im Mittel sprechen im Grunde nicht für die Systeme, so können diese Werte nicht einmal im Ansatz die durchschnittlichen Verluste der Stromerzeugung kompensieren und sind damit indiskutabel. Dennoch kann das nicht als pauschale Bewertung angesehen werden. Es gelten nämlich dieselben Grundsätze wie bei allen Wärmepumpen: Es sind Systeme, die aus einer möglichst warmen Wärmequelle, einem effizienten Gerät und einer Wärmeabgabe mit einer möglichst geringen Temperatur bestehen. Das passende Umfeld – also die richtige Anpassung an den Bedarf, die Betriebsbedingungen und das richtige Nutzerverhalten sollten gegeben sein oder geschaffen werden.
Ein wichtiger Umstand kommt den Geräten allemal zugute: die strikte Trennung von Warmwasserbereitung und Heizbetrieb. Fehler liegen oft im parallelen Betrieb, wenn die Heizungs-Wärmepumpe auch Warmwasser bereiten soll. Werden Warmwasser- und Heizungskreise hydraulisch in Verbindung gebracht, kann das niedrigere Temperaturniveau des Heizungskreises das Warmwasser beeinflussen und abkühlen. Ebenso problematisch ist die Warmwasserbereitung über einen Kombispeicher, da sich eine gute Schichtung nur sehr selten erzielen lässt. Selbst wenn es gelingt, die Anschlüsse an den Speicher in den optimalen Höhen zu setzen, so gerät die Schichtung bei jeder Anforderung wieder durcheinander. Da die Warmwasseranforderung immer Vorrang hat, reagiert die Steuerung auf Temperaturschwankungen in diesem Bereich besonders sensibel – und oft genug unnötig. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, die reversibel abtauen und dazu dem Speicher Wärme entziehen, verbietet sich der Einsatz von Kombispeichern eigentlich selbst. Denn bei der Abtauung wird die Schichtung durch den Wärmeentzug noch massiver beeinflusst. Daher liegt der Vorteil der Brauchwasser-Wärmepumpe in der Einfachheit des Systems. So können Fehler leichter ausgeschlossen werden.

Alternatives System

Einen etwas anderen Ansatz verfolgen Brauchwasser-Wärmepumpen ohne integrierten Speicher. Diese sind etwa 2 bis 4kW stark und arbeiten auf einen externen Speicher. Das bringt den Vorteil, dass hier auch ein Schichtenspeicher mit integrierter Warmwasserbereitung im Durchlauf verwendet werden kann. Die Legionellenbildung ist damit so gut wie ausgeschlossen. Dadurch entfällt das Kriterium der 400-l-Grenze des Speichers. Allerdings ist die Leistung der Brauchwasser-Wärmepumpen-Systeme nicht unbedingt für deutlich größere Speicher ausreichend, weshalb die Verwendung weitestgehend auf Ein- und Zwei-Familienhäuser beschränkt bleibt.
Als Alternative können zahlreiche Geräte auch das Erdreich als Wärmequelle nutzen. Dem Prinzip der Direktverdampfung folgend, können ein oder mehrere Absorberkreise im Garten in etwa 1,2m Tiefe verlegt werden.

Fazit

Richtig angewendet, können Brauchwasser-Wärmepumpen durchaus ihr Potenzial zeigen. Unter schlechten Bedingungen eingesetzt, trägt das Prinzip jedenfalls keine Schuld. Wichtig ist die Aufstellung in einem passenden Umfeld: Die richtige Anpassung an den Bedarf, die Betriebsbedingungen und das richtige Nutzerverhalten sind ausschlaggebende Kriterien für einen effizienten Betrieb. Denn, nicht richtig ausgelegte und installierte Wärmepumpen können schnell einer elektronischen Direktheizung gleichkommen. Nachteil dieser Technik sind die Einsatzgrenzen. Durch die lange Aufheizzeit des begrenzten Speichers sind maximal zwei Badewannenfüllungen trotz E-Heizstab realisierbar. Auch die Varianten mit externem Speicher können – bedingt durch ihre zu geringe Leistung für größere Volumen – nur Ein- und Zwei-Familienhäuser versorgen. Dennoch ist das System in diesem Bereich eine gute Ergänzung für bestehende ÖL- und Gas-Geräte, um auf den Zug der Erneuerbaren Energien aufzuspringen.

Leistungszahl (COP) und Jahresarbeitszahl (JAZ)

Die Leistungszahl (der COP) von Elektrowärmepumpen ist das Verhältnis des bei bestimmten Betriebsbedingungen abgegebenen Nutzwärmestroms bezogen auf die eingesetzte elektrische Leistung für den Antrieb des Verdichters und der Hilfsantriebe (nach DIN EN 14511/DIN EN 255-3). Die Leistungszahl kann nur bei konstanten Betriebsbedingungen – im sogenannten „Beharrungszustand“ – gemessen werden, was nur im Labor möglich ist, aber niemals im Haus, wo ständig wechselnde Betriebsbedingungen herrschen.
Die Jahresarbeitszahl hingegen wird im Haus, also unter „realen“ Bedingungen übers Jahr gemessen. Mit Wärmemengenzählern wird die erzeugte Wärmemenge erfasst und durch den dafür notwendigen Stromverbrauch dividiert. Beachtet werden müssen die Bilanzgrenzen, mal nur Heizungsbetrieb, mal mit Warmwasser. Und unterschiedliche Einbeziehungen der notwendigen Hilfsenergie wie Pumpen, Speicher und E-Heizstab. Vor allem fließen auch Faktoren wie die Auswahl und Dimensionierung der Wärmequelle, die Maschinengüte, die hydraulische Auslegung des Gesamtsystems, das Gebäude, die Dämmung, die klimatische Lage und das Wetter mit ein. Aber auch der Mensch mit seinem Nutzerverhalten, welches sich dann im erwünschten Temperaturhub widerspiegelt.

Autor: Bernhard Wenzel, Klima-Innovativ e.V.
www.klima-innovativ.de