IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 10/1999, Seite 38 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Elektrowärmepumpe zur Beheizung und Warmwasserbereitung

Die Technik

Dipl.-Ing. Joachim Plate*

Die Elektro-Wärmepumpe ist heute eine ausgereifte und umweltschonende Technik, die die kostenlos zur Verfügung stehende gespeicherte Sonnenenergie in Luft, Wasser und Erdreich zum Heizen und zur Warmwasserversorgung verwendet. Wer als SHK-Betrieb dieses Geschäftsfeld erschließen möchte, muß über die Technik Bescheid wissen.

1. Wirkungsweise der Wärmepumpe

In einem Wärmeaustauscher verdampft ein Kältemittel durch die Aufnahme von Umweltwärme, das durch die anschließende Verdichtung auf ein höheres, nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. In einem nachfolgenden zweiten Wärmeaustauscher wird das Kältemittel verflüssigt und gibt dabei die aufgenommene Wärmemenge an den Heizkreislauf ab. Bild 1 zeigt das beschriebene Funktionsschema.

Bild 1: Funktionsschema der Kompressions-Wärmepumpe.

Begriffe

Die Leistungszahl e beschreibt das Verhältnis Heizleistung zur Verdichterleistung. Anzustrebende hohe Leistungszahlen erreicht man, indem die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger möglichst niedrig gewählt wird. Dies erreicht man z.B. dadurch, daß auf der Heizungsseite möglichst ein Flächenheizsystem mit niedriger Vorlauftemperatur zur Anwendung kommt. Noch aussagekräftiger als die Leistungszahl ist die Jahresarbeitszahl b. Sie gibt das Verhältnis der produzierten Wärmemenge und des dafür verbrauchten Stroms pro Jahr an. Die vom Hersteller von Wärmepumpen genannten Jahresarbeitszahlen beziehen sich üblicherweise auf ein Temperaturpaar und nennen die verwendete Wärmequelle und die verwendete Wärmesenke. Es wird hierfür folgendes Kürzel als Beispiel angewendet:

Beispiel

A 2/W 35 beschreibt eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, die bei einer Lufttemperatur von +2°C die gewonnene Wärme auf einem Niveau von 35°C an das Heizungswasser als Nutzwärme abgibt.

2. Betriebsweisen

2.1 Monovalent

Bei der monovalenten Betriebsweise deckt die Wärmepumpe den gesamten Jahresheizwärmebedarf. Heutige, gut wärmegedämmte Gebäude bei Einsatz eines Niedertemperaturheizsystems können in der Regel monovalent versorgt werden.

2.2 Bivalent

Die bivalente Betriebsweise erfordert ab einer bestimmten Außentemperatur den Einsatz eines zusätzlichen zweiten Wärmeerzeugers. Diese Betriebsweise trifft man häufig bei Einsatz von Wärmepumpen auf der Basis Luft/Wasser in weniger gut wärmegedämmten Gebäuden an.

2.3 Monoenergetisch

Der monoenergetische Betrieb bedeutet, daß bei Einsatz einer Elektro-Wärmepumpe der Restwärmebedarf im Bereich tiefer Außentemperaturen durch den Einsatz von Elektroenergie gedeckt wird.

Bild 2: Systemübersicht Wärmepumpen-Heizungen.

3. Wärmequellen

Bild 2 stellt in Abhängigkeit von den verwendeten Wärmequellen die Systemvorteile und Bauformen von Wärmepumpen-Heizungen dar.

3.1 Wasser

Grundwasser ist ein idealer Speicher für Sonnenwärme. Der Vorteil liegt in der konstanten Wassertemperatur über das gesamte Jahr hindurch. Grundwasser bietet die besten Voraussetzungen für einen monovalenten Wärmepumpenbetrieb.

Mit Hilfe einer Förderpumpe wird das Grundwasser zum Verdampfer der Wärmepumpe transportiert und um bis zu 5 K abgekühlt. Anschließend wird es über einen Schluckbrunnen wieder dem Grundwasser zugeführt. Aus wirtschaftlichen Gründen sollten für Ein- und Zweifamilienhäuser die Brunnen nicht tiefer als 15 bis 20 m sein. Die Planung und der Bau der Brunnenanlage sollten einem erfahrenen Brunnenbauer überlassen werden.

Das Vorhaben eines Brunnenbaues muß bei der zuständigen Kreisverwaltungsbehörde angezeigt und eine entsprechende Erlaubnis eingeholt werden. Eine andere Nutzung der Wärmequelle Wasser ist die Verwendung von Oberflächenwasser aus Flüssen und Seen.

3.2 Erdreich

Das Erdreich speichert eingestrahlte Sonnenenergie in Form von Wärme aus Regen und Wind sowie durch die direkte Sonneneinstrahlung. Die gespeicherte Wärme wird über horizontal oder vertikal verlegten Erdwärmetauscher - auch als Erdkollektoren oder Erdsonden bezeichnet - entzogen.

3.3 Luft

Der große Vorteil dieser Wärmequelle liegt darin, daß sie überall vorhanden ist. Die Wärmequelle Luft hat über den Zeitraum der Heizperiode jedoch eine schwankende Temperatur, die die Jahresarbeitszahl beeinflußt. Aufgrund von physikalischen Gesetzmäßigkeiten sinkt die Heizleistung mit fallenden Außentemperaturen, das heißt, wenn es draußen sehr kalt ist und der Wärmebedarf am höchsten ist, steht die niedrigste Heizleistung zur Verfügung. Deshalb führt ein monovalenter Betrieb der Luft/Wasser-Wärmepumpe zu einer nicht benötigten hohen Heizleistung in den Übergangszeiten. Es ist deshalb sinnvoll, die Wärmepumpe für eine Außenlufttemperatur zwischen 0°C bis -5°C auszulegen und für tiefere Außenlufttemperaturen eine Ergänzungsheizung zu planen (monoenergetischer bzw. bivalenter Betrieb). Bei der vorgeschlagenen Auslegung deckt die Elektro-Wärmepumpe 90 bis 95% der Jahresheizarbeit ab.

4. Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe

Wir können bei den Wärmepumpen zwischen Absorptions- und Kompressions-Wärmepumpen unterscheiden. Absorptions-Wärmepumpen arbeiten zumeist mit einer Gasflamme und haben keine bzw. nur wenig bewegliche Teile. Absorptions-Wärmepumpen laufen oft als Großanlagen zur Klimatisierung und Wärmerückgewinnung und werden in der Regel mit Erdgas beheizt. Kleinere Anlagen zur Beheizung von Wohngebäuden sind sehr aufwendig, teuer und befinden sich z.Z. noch in der Entwicklungsphase. Kompressions-Wärmepumpen verfügen über einen Verdichter, der zumeist mit einem Elektromotor angetrieben wird.

4.1 Spezifika des elektrischen Antriebs

Verbrennungsmotoren sind technisch sehr aufwendig und störanfällig. Sie konnten sich deshalb zum Antrieb von Kompressions-Wärmepumpen kleiner Leistung auf dem Markt nicht durchsetzen. Der Elektromotor als Antriebsquelle der Kompressions-Wärmepumpe verfügt über vielfältige technische Vorteile. Er ist klein, kompakt und gut regelbar. Im kleinen Leistungsbereich wird der Elektromotor und der Verdichter zu einer kompakten Baueinheit verknüpft. In diesem Leistungsbereich kommen fast ausschließlich vollhermetische Verdichter zum Einsatz.

4.2 Einsatzgrenzen des Kältemittels

In der Kältetechnik wurden seit den 30er Jahren bevorzugt Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) verwendet. Sie zeichnen sich durch ihre Ungiftigkeit und Unbrennbarkeit aus. Die in den 80er Jahren bekannt gewordene Schädigung der Ozonschicht durch die FCKW führte dazu, daß für alle Neuanlagen FCKW seit 1995 verboten ist. Als alternative Kältemittel kommen z.B. chlorfreie H-FKW oder Propan- bzw. Propen und ihre Gemische in Frage. Der entscheidende Vorteil des natürlichen Kältemittels Propan ist die ausgezeichnete Umweltverträglichkeit. Nachteil von Propan ist seine Brennbarkeit.

4.3 Komponenten

Die Hauptkomponenten der elektrisch angetriebenen Kompressions-Wärmepumpe sind:

Diese Komponenten bilden in einer Wärmepumpe - verbunden durch entsprechende Rohrleitungen - eine kompakte Baueinheit. Im Verflüssiger, der üblicherweise hydraulisch mit dem Heizsystem verbunden ist, wird die Nutzwärme vom Kältemittel auf das Heizungswasser übertragen. Der Verdampfer nimmt je nach Bauart Umweltwärme aus dem Erdreich, Wasser oder der Luft auf. Diese Medien werden dem Verdampfer mittels entsprechender Leitungen zugeführt.

Bild 3: Einfamilienhaus mit Sole/Wasser-Wärmepumpe.

5. Wärmepumpen-Anlagen/Wärmepumpen-Heizanlagen

Das in Bild 3 dargestellte Einfamilienhaus im Landhausstil mit ca. 170 m2 Wohnfläche wird über eine Warmwasser-Fußbodenheizung mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe beheizt. Als Wärmequelle dienen drei Erdsonden mit einer Tiefe von ca. 50 m.

In Bild 4 ist eine Luft/Wasser-Wärmepumpe für die Außenaufstellung dargestellt. Hiermit wird das Gebäude beheizt. Es wurde von Öl auf eine monoenergetische Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Pufferspeicher umgerüstet. Seit dieser Zeit wird vorwiegend mit kostenloser Umweltwärme geheizt. Nur an den wenigen sehr kalten Tagen hilft der elektrische Heizstab.

Bild 4: Gebäude mit Luft/Wasser-Wärmepumpe.

6. Wärmeverteilsysteme

Grundsätzlich gilt bei Wahl des nachgeschalteten Wärmeverteilsystems, möglichst niedrige Auslegungsvorlauftemperaturen zu wählen. In diesem Zusammenhang bieten sich Flächenheizsysteme wie z.B. die Fußbodenheizanlage an. Aber auch Niedertemperaturheizsysteme mit Konvektoren und Radiatoren können zur Anwendung kommen.

7. Einbindung in das Heizsystem

Bei monovalentem bzw. monoenergetischem Betrieb erfolgt die hydraulische Einbindung der Wärmepumpe vergleichbar der mit einem konventionellen Kessel. Inwieweit zur Überbrückung der Sperrzeiten des Energieversorgungsunternehmens ein Pufferspeicher eingesetzt werden muß, ist im Einzelfall zu entscheiden. Bild 5 zeigt die hydraulische Einbindung einer monovalenten Wärmepumpe. Für die Einbindung bivalent betriebener Wärmepumpen wird in diesem Zusammenhang auf die technischen Unterlagen der Hersteller verwiesen.

Bild 5: Beispiel für eine monovalente Wärmepumpen-Heizungsanlage. (Bild: RWE Energie AG)

8. Warmwasserbereitung mit der Wärmepumpe

Warmwasser kann sowohl mit der Heizungs-Wärmepumpe als auch mit einer speziellen Warmwasser-Wärmepumpe erzeugt werden. Generell kommen bei der Warmwasserbereitung mittels Wärmepumpe Speicher-Wassererwärmer zum Einsatz. Die Speicher sollten so bemessen sein, daß er den Warmwasserbedarf mit möglichst niedriger Temperatur deckt.

8.1 Zentralversorgung mit der Warmwasser-Wärmepumpe

Der klassische Fall sieht so aus, daß mit Hilfe der Wärmepumpe der Umgebungsluft des Aufstellungsraumes Wärme entzogen wird. Diese Wärme wird zusammen mit der dem Gerät zugeführten elektrischen Antriebsenergie für den Kompressor dazu benutzt, den Speicherinhalt auf Temperaturen von bis zu 55°C, zeitweise auch über 60°C zu erwärmen. Durch den Wärmeentzug aus der Umgebungsluft kann die Warmwasser-Wärmepumpe, z.B. für eine Kilowattstunde Elektrizität (Antriebsenergie) bis zu 4 kW Wärme an das Speicherwasser abgeben. Auf der Seite der Trinkwasserinstallation ist das notwendige Verteilnetz vergleichbar mit dem bei konventioneller zentraler Versorgung von Warmwasseranlagen.

8.2 Zentralversorgung mit der Heizungs-Wärmepumpe

Bei hydraulischer Einbindung eines indirekt beheizten Speicher-Wassererwärmers kann eine Heizungs-Wärmepumpe auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden. Die Temperatur des Brauchwassers sollte allerdings aus betrieblichen und wirtschaftlichen Gründen auf 45°C beschränkt bleiben und der Wärmetauscher im Speicher so dimensioniert werden, daß sich Brauchwassertemperaturen von 45°C bei Heizungs-Wassertemperaturen von 50 bis 55°C einstellen. Derartige Wärmepumpenanlagen für Heizung und Warmwasserbereitung werden fast immer mit einer Vorrangschaltung für die Warmwasserbereitung ausgerüstet.

9. Anschluß und Aufstellung von Wärmepumpen

Elektrische Anschlüsse

Der Anschluß einer Elektro-Wärmepumpe an das Versorgungsnetz bedarf der Zustimmung des örtlichen Energieversorgungsunternehmens. Viele Versorgungsunternehmen bieten für den Betrieb attraktive Sondertarife an. Wesentlicher Punkt dieser Sondervereinbarungen ist ein im Vergleich zum Haushaltstarif deutlich niedrigerer Arbeitspreis und die vom Energieversorgungsunternehmen in Abhängigkeit des Lastverlaufes evtl. zu berücksichtigende Sperrzeit für die Wärmepumpe von maximal zwei Stunden pro 24 Stunden.

10. Dimensionierung von Wärmepumpen

Bei neu zu errichtenden Heizungsanlagen ist für die Bestimmung der erforderlichen Heizleistung wichtig, die Normgebäude-Heizlast gemäß der DIN 4701 zu ermitteln. Monovalent betriebene Wärmepumpen-Anlagen müssen so dimensioniert sein, daß sie auch am kältesten Wintertag die gesamte Gebäudeheizlast decken können. Bei der Bemessung der hierfür erforderlichen Heizleistung müssen ggf. Zuschläge für die Warmwasserversorgung, sofern sie über die Heizungs-Wärmepumpe erfolgen soll, oder für evtl. Ausschaltzeiten durch das Elektrizitätsversorgungsunternehmen eingerechnet werden.

Bei monovalenten Anlagen sollte die Wärmepumpe möglichst genau dimensioniert werden. Bei bestehenden Gebäuden, bei denen keine Berechnung der Norm-Gebäudeheizlast vorliegt oder bei denen nachträglich eine Reduzierung des Wärmebedarfs durch Wärmedämmung vorgenommen wurde, kann die Ermittlung der Wärmepumpen-Heizlast auch anhand des zurückliegenden durchschnittlichen Jahres-Öl- oder -Gasverbrauchs vorgenommen werden.

Bei bivalenten Heizungsanlagen wird die Wärmepumpe aus wirtschaftlichen Überlegungen auf 30 bis 50% der Norm-Gebäudeheizlast ausgelegt. Damit ist es möglich, den Wärmebedarf eines Gebäudes bis zu einer bestimmten Außentemperatur allein mit der Wärmepumpe zu decken. Somit ist eine exakte Dimensionierung der Wärmepumpenheizleistung nicht erforderlich. Durch die Dimensionierung des zweiten Wärmeerzeugers muß sichergestellt sein, daß Gebäudeheizlast unabhängig von der gewählten Betriebsweise immer gedeckt ist.

11. Staatliche und private Fördermaßnahmen

Das Hauptargument für den Einsatz der Wärmepumpe ist die positive Energie- und Umweltbilanz im Vergleich zur Öl- und Gasheizung. Darüber hinaus mindert die Elektro-Wärmepumpe, die vom Kraftwerkspark mit dem Strommix des öffentlichen Netzes versorgt wird, die Importabhängigkeit Deutschlands bei den Primärenergieträgern Erdöl und Erdgas. Durch die Nutzung kostenlos zur Verfügung stehender Umgebungswärme kann die Wärmepumpe im Vergleich zur konventionellen Heizungsanlage einen wesentlichen Beitrag zur Einsparung fossiler Primärenergieträger leisten. Aus diesem Grund wird der Einsatz der Wärmepumpe durch öffentliche Mittel von Bund und Ländern unterstützt. Weiterhin zahlen eine Vielzahl privater Energieversorgungsunternehmen in der Bundesrepublik Deutschland bei dem Einsatz von Elektro-Wärmepumpen bei der Errichtung einen entsprechenden Förderbetrag aus, bzw. bieten günstige Bedingungen für die Erschließung von Wärmequellen. Für die Beantwortung von Fragen wenden Sie sich bitte an ihr örtliches Energieversorgungsunternehmen.

Bild 6: Vergleich der CO2-Emissionen verschiedener Zentralheizungssysteme.

12. Umweltbilanz im Systemvergleich

Verbunden mit der Verringerung des Einsatzes fossiler Brennstoffe ist im Bereich der Raumheizung und Warmwasserbereitung eine weitere wesentliche Reduzierung der CO2-Emissionen durch den Einsatz von Wärmepumpen erreichbar. Gegenüber dem Ölkessel ist mit Wärmepumpen heutiger Technik eine CO2-Minderung in Höhe von 45 bis 50% und im Vergleich zum Gas-Brennwertkessel von etwa 15 bis 35% realisierbar. Bild 6 zeigt die im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen sehr niedrigen CO2-Emissionen verschiedener Wärmepumpen-Heizsysteme.

Zwei Faktoren sprechen dafür, daß sich diese positiven Ergebnisse in Zukunft weiter zu Gunsten der Wärmepumpe entwickeln werden.

1. Im Gegensatz zur Kesseltechnik besitzt die Wärmepumpe hinsichtlich Primärenergieeinsparung und CO2-Minderung noch ein deutliches Entwicklungspotential. Dies gilt zum einen für die Erhöhung der Effektivität der Maschinen selbst und zum anderen für die sehr gute Eignung der Wärmepumpe für die Einsatzbedingungen im Niedrigenergiehaus.

2. Die ständige Verbesserung der Stromerzeugungswirkungsgrade und der steigende Anteil der Stromerzeugung aus regenerativen Energien kommt sowohl bestehenden als auch zukünftigen Elektro-Wärmepumpen unmittelbar zugute.

13. Zusammenfassung

Das Hauptargument für den Einsatz der Wärmepumpe ist die positive Energie- und Umweltbilanz im Vergleich zur Öl-, Gas- und Elektroheizung. Durch die Nutzung kostenlos zur Verfügung stehender Umgebungswärme kann die Wärmepumpe im Vergleich zur konventionellen Heizungsanlage einen wesentlichen Beitrag zur Einsparung fossiler Primärenergieträger leisten. Beim gegenwärtigen Stand der Technik liegen die realisierbaren Einsparungen einer Erdreich-Wärmepumpe bei 45% gegenüber dem Ölkessel und bei 35% im Vergleich zum Gas-Brennwertkessel. Verbunden mit der Verminderung des Einsatzes fossiler Brennstoffe im Bereich Raumheizung und Warmwasserbereitung ist eine wesentliche Reduzierung der CO2-Emission.

Der Installateur kann bei der Planung und Verwirklichung von Wärmepumpenanlagen vielfältige Hilfestellung in Anspruch nehmen. Neben dem technischen Kundendienst und den technischen Vertriebsunterstützungen der Hersteller von Wärmepumpen informieren speziell geschulte Wärmepumpen-Fachberater in den Energieversorgungsunternehmen über die örtlichen Bedingungen bei Planung und Bau von Wärmepumpen-Anlagen. Sie kennen die vielfältigen privaten und öffentlichen Fördermaßnahmen beim Einsatz von Wärmepumpen und helfen gerne.

*) Dipl.-Ing. Joachim Plate, Referent für Heizung und Raumlufttechnik der Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung - HEA - e.V., Frankfurt am Main

L i t e r a t u r :

[1] HEA-Bilderdienst: 4.4.1 "Wärmepumpen - Grundlagen"

[2] HEA-Bilderdienst: 4.1.3 Serie: Grundlagen und Systeme. Elektrische Heizsysteme

[3] Broschüre: "Mit gespeicherter Sonnenwärme heizen - Die Wärmepumpe". HEA, IWP e.V., IZW, VDEW, ZVEI.

[4] RWE Energie Bau-Handbuch. 12. Ausgabe.

[5] Förderprogramme und Unterstützungsmaßnahmen zum Wärmepumpeneinsatz. 3. Auflage; März 1998. Informationszentrum Wärmepumpen + Kältetechnik, IZW.

[6] BINE-Projekt Info-Service, Nr. 4 (August 1998): "Wärmepumpen kleiner Leistung mit alternativen Kältemitteln".

[7] STROMPRAXIS Spezial ’97: "Förderung von Wärmepumpen - ein positiver Beitrag für Energieeinsparung und Umwelt".

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