IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 06/2005, Seite 120 ff.

ISH 2005 - VON A - Z
U wie Umweltwärme

Elektrowärmepumpe zur Beheizung und Warmwasserbereitung

Dr. Jan Witt* Joachim Plate**

Die Elektro-Wärmepumpe ist eine ausgereifte und Umwelt schonende Technik, die die kostenlos zur Verfügung stehende gespeicherte Sonnenenergie in Luft, Wasser und Erdreich zum Heizen und zur Warmwasserversorgung verwendet. Durch gestiegene Nachfrage lohnt es sich für SHK-Fachbetriebe noch stärker als bisher, dieses Geschäftsfeld zu erschließen. Der Beitrag befasst sich mit den Grundlagen der Wärmepumpentechnik.

Wirkungsweise der Wärmepumpe

Ein Wärmeaustauscher verdampft ein Kältemittel durch die Aufnahme von Umweltwärme. Durch die anschließende Verdichtung wird ein höheres, nutzbares Temperaturniveau hergestellt. In einem nachfolgenden zweiten Wärmeaustauscher wird nun das Kältemittel verflüssigt und gibt dabei die aufgenommene Wärmemenge an den Heizkreislauf ab.

Schema einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Erdkollektor.

Begriffe

Die Leistungszahl e (Epsilon) beschreibt das Verhältnis der momentanen Heizleistung zur Leistung des Verdichters. Besonders hohe Leistungszahlen erreicht man, indem die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger möglichst niedrig gewählt wird. Dies wird beispielsweise dadurch sichergestellt, dass auf der Heizungsseite über die Heizflächenauslegung eine niedrige Vorlauftemperatur zur Anwendung kommt.

Der inzwischen europäisch eingeführte COP-Wert (Coefficient Of Performance) nach DIN EN 255 berücksichtigt zusätzlich auch die Antriebsleistung für Förder- und Heizkreispumpen.

Funktionsschema der Kompressions-Wärmepumpe.

Die vom Hersteller von Wärmepumpen in den Produktunterlagen genannten Leistungszahlen beziehen sich üblicherweise auf ein festes Temperaturpaar und nennen die verwendete Wärmequelle und die verwendete Wärmesenke. Beispiel: A 2/W 35 beschreibt eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, die bei einer Lufttemperatur von +2C die gewonnene Wärme auf einem Niveau von 35C an das Heizungswasser als Nutzwärme abgibt.

Noch aussagekräftiger als die Leistungszahl ist die Jahresarbeitszahl b (beta). Sie gibt das Verhältnis der insgesamt abgegebenen Wärmemenge und des dafür eingesetzten Stroms pro Jahr an. Sie lässt sich nicht exakt vorhersagen, man kann sie jedoch sehr genau im praktischen Betrieb ermitteln, indem mit Wärmemengenzählern die Wärmeabgabe an das Heiznetz erfasst wird und mit Stromzählern die eingesetzte Energie.

Betriebsweisen

Bei der monovalenten Betriebsweise deckt die Wärmepumpe den gesamten Jahresheizwärmebedarf. Diese Betriebsart ist typisch bei den Wärmequellen Erdreich und Grundwasser.

Mit der geoTHERM stellt Vaillant in Ergänzung des bestehenden Programms eine Luft-Wasser-Wärmepumpe vor, die ihre Energie aus der Umgebungsluft bezieht.

Bei bivalenter Betriebsweise wird unterhalb einer bestimmten Außentemperatur (z.B. -5C) ein zusätzlicher zweiter Wärmeerzeuger, in der Regel ein Elektroheizeinsatz, bedarfsgesteuert eingesetzt. Diese Betriebsweise kommt meist bei der Wärmequelle Außenluft vor.

Wärmequellen

Wasser

Grundwasser ist ein idealer Speicher für Sonnenwärme. Der Vorteil liegt in der konstanten Wassertemperatur von ca. 10C über das gesamte Jahr hindurch, wodurch ganzjährig sehr hohe Arbeitszahlen erzielt werden. Mithilfe 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.

Mit der Ai1 (All in one) bietet Waterkotte eine Wärmepumpe im Leistungsbereich zwischen 4 und 11 kW, die mit einem 250-l-Warmwasserspeicher ausgestattet ist. Diese Wärmepumpe ist so vorbereitet, dass sie auch zum Kühlen des Gebäudes genutzt werden kann.

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

Erdreich

Das Erdreich speichert eingestrahlte Sonnenenergie durch Wärmeeinträge aus Regen und Wind sowie durch die direkte Sonneneinstrahlung. Die gespeicherte Wärme wird über Erdwärmetauscher mit horizontal verlegten Erdkollektoren oder vertikal eingebrachten Erdsonden entzogen. Da das Erdreich selbst in sehr kalten Wintern bereits in einer Tiefe von 1 m frostfrei bleibt, sind Erdreich-Wärmepumpen sehr effizient.

Erdwärmesonden werden mithilfe besonderer Bohrverfahren in den Boden eingebracht. Bei ausreichend großen Baugrundstücken kann die Wärmegewinnung über Erdkollektoren vorgenommen werden. Hierbei handelt es sich um ein großflächiges, in ca. 1,5 m Tiefe horizontal verlegtes Kunststoff-Rohrsystem, das von einer Sole durchströmt wird.

Luft

Der große Vorteil dieser Wärmequelle liegt darin, dass sie überall vorhanden ist und keine Erdarbeiten erforderlich macht. Die Wärmequelle Luft hat über den Zeitraum der Heizperiode jedoch eine schwankende Temperatur, die die Leistungszahl 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 eine für den monovalenten Betrieb ausgelegte Luft/Wasser-Wärmepumpe zu einer nicht benötigten hohen Heizleistung in den Übergangszeiten, was sie unnötig verteuert.

Die Wärmepumpen von Viessmann folgen im Aufbau der Vitotec-Systemtechnik, die auf einem Baukastenprinzip basiert, um Montage, Wartung und Service zu vereinfachen. Dabei sind alle Vitocal 300 mit Compliant Scroll-Verdichter für hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit bei leisem Betrieb ausgestattet.

Es ist deshalb sinnvoll, die Wärmepumpe für eine Außenlufttemperatur zwischen 0C bis -5C auszulegen und für tiefere Außenlufttemperaturen eine Ergänzungsheizung zu planen (bivalenter Betrieb). Die Auslegung wird so vorgenommen, dass die Elektrowärmepumpe 95% und mehr der Jahresheizarbeit abdeckt. Aktuelle Untersuchungen in Deutschland und in der Schweiz haben gezeigt, dass bei den meisten Anlagen die Zusatzheizung nicht benötigt wird und die Anlagen monovalent laufen.

Vier Fragen an Dr. Jan Witt und Joachim Plate

IKZ-HAUSTECHNIK: Wärmepumpen sind seit einigen Jahren wieder im Aufwind. Die Technik ist ja offenkundig ausgereift. Mit welchem Nachfragepotenzial rechnen Sie in diesem und - sagen wir mal - in den nächsten zwei Jahren?

Witt: Mehr und mehr Handwerksbetriebe aus dem SHK-Bereich entdecken die höhere Werthaltigkeit dieser Technik für das eigene Geschäft. Alle großen Hersteller von Heizungstechnik haben diesen Trend aufgegriffen und vermarkten ihr Wärmepumpenprogramm intensiver. Die absoluten Verkaufszahlen sind zwar noch entwicklungsfähig, jedoch stimmen die jährlichen Zuwachsraten von bisher 15 bis 20% optimistisch. Für 2005 rechnet die Geräteindustrie mit einem Inlandsabsatz von rund 14.000 Heizungswärmepumpen, im Jahr 2006 sind es etwa 16.000. Für 2010 gehe ich von einer Steigerung auf ca. 35.000 Heizungswärmepumpen jährlich aus.

IKZ-HAUSTECHNIK: Woran liegt es Ihrer Einschätzung nach, dass trotz aller positiven Prognosen der Absatz von Wärmepumpen - im Vergleich zu beispielsweise Gas-Brennwertgeräten - auf einem relativ geringen Niveau liegt?

Plate: Die Gebäudetechnik steht in der Prioritätenliste des durchschnittlichen Bauherrn leider auf einem nachrangigen Platz. Hier wird häufig gespart. Die etwas höheren Investitionskosten der Wärmepumpe, bevorzugt bei der Nutzung der Erdwärme, und der im Vergleich zur Standardtechnik höhere Beratungsbedarf wirken markthemmend.

Witt: Bei der Installation der Wärmepumpentechnik greifen mehrere Gewerke - Wärmequellenerschließung, elektro- und wasserseitige Installation - ineinander, sodass der Wunsch des Kunden nach Technik "aus einer Hand" noch nicht immer erfüllt wird. Auch hinkt der Bekanntheitsgrad der Wärmepumpentechnik dem der Solartechnik noch deutlich hinterher. Als weiteren Grund sehe ich, dass die deutlich niedrigeren Energie- und Betriebskosten bei Investitionsentscheidungen leider ebenso wenig bekannt sind wie die vielfältigen Fördermöglichkeiten.

IKZ-HAUSTECHNIK: Wie lassen sich diese Hemmnisse auflösen? Was kann der SHK-Handwerker tun?

Plate: Der kluge SHK-Handwerker kann sich durch seine fachliche Kompetenz in diesem Segment deutlich vom Wettbewerb abheben. Er sollte offensiver die Chancen der Wärmepumpe nutzen. Die Hilfestellungen der Industrie und der Verbände sind ja vorhanden.

Witt: Der wichtigste Schritt ist, den ersten zu tun. Hierzu ist zunächst eine kompetente Schulung erforderlich und das Abwickeln von ersten Referenzobjekten. Beides wird unterstützt durch die Hersteller und deren Verbände. Um sein Marketing zu verstärken lohnt es sich auch, den Kontakt zum Energieversorger zu suchen und einer regionalen Energiegemeinschaft beizutreten, die Handwerksbetriebe, Energieversorger und weitere Marktakteure verbindet.

IKZ-HAUSTECHNIK: Was kann ein SHK-Fachhandwerker von der herstellenden Industrie, von Verbänden und Institutionen erwarten, wenn er das Geschäftsfeld Wärmepumpe erstmals für sich erschließen will? Oder anders gefragt: In welcher Art und Weise wird er unterstützt?

Plate: Die Hilfestellungen der Industrie sind vielfältig, z.B. Informationsveranstaltungen, PR-Hilfsmittel, Planungshilfen etc. Alle großen Gerätehersteller bedienen heute dieses Marktsegment.

Witt: Das SHK-Handwerk ist gefordert, z.B. sich aktiv in die vorhandenen Initiativen einzubringen und/oder deren Angebote zu nutzen, wie beispielsweise die Initiative Wärme+ sowie die Informationsplattform "Umweltwärme". Der Brennwertkessel galt vor 20 Jahren auch als Exot und ist heute Stand der Technik.

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 werden am Markt noch nicht angeboten. Kompressions-Wärmepumpen verfügen über einen Verdichter, der mit einem Motor angetrieben wird.

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 verfügt über vielfältige technische Vorteile. Er ist klein, kompakt und gut regelbar.

Eine Kombination aus Erdwärmepumpe (Sole/Wasser) für Heizung und Warmwasserbereitung mit externem Warmwasserspeicher. Die TE-Reihe von Junkers umfasst einen Leistungsbereich von ca. 5 bis ca. 16 kW.

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 seit 1995 für alle Neuanlagen FCKW verboten ist. Als alternative Kältemittel werden in der Regel chlorfreie H-FKW eingesetzt. Propan, Propen und ihre Gemische sind ebenfalls einsetzbar und erprobt, verschlechtern jedoch die Leistungszahlen etwas und sind wegen ihrer Brennbarkeit problematisch. Wärmepumpen mit dem Kältemittel CO2 sind hinsichtlich der Einsetzbarkeit in kleinen Leistungsbereichen noch in der Entwicklung.

Vergleich der CO2-Minderung verschiedener Maßnahmen in einem Einfamilienhaus, dass nach Energieeinsparverordnung errichtet wurde.

Komponenten

Die Hauptkomponenten der elektrisch angetriebenen Kompressions-Wärmepumpe sind:

- der Verdichter,

- der Verflüssiger,

- das Expansionsventil,

- der Verdampfer.

Diese Komponenten bilden in der Wärmepumpe eine kompakte Baueinheit.

Wärmeverteilsysteme

Grundsätzlich gilt bei Wahl des nachgeschalteten Wärmeverteilsystems, möglichst niedrige Auslegungstemperaturen zu wählen, z.B. eine Fußbodenheizung. Aber auch andere Niedertemperaturheizsysteme können zur Anwendung kommen. Das damit verbundene höhere Temperaturniveau verringert allerdings die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe.

Einbindung in das Heizsystem

Die hydraulische Einbindung der Wärmepumpe ist vergleichbar mit der eines konventionellen Kessels. Inwieweit zur Überbrückung von Sperrzeiten des Energieversorgungsunternehmens ein Pufferspeicher eingesetzt werden muss, ist im Einzelfall zu entscheiden.

Links steht eine Sole/Wasser-Wärmepumpe (Typ WPS), rechts eine Lüftungs-Abluftwärmepumpe (Typ WPBL). Beide Geräte stammen aus dem Haus Buderus.

Warmwasserbereitung

Warmwasser wird in der Regel über einen Speicher, der von der Heizungs-Wärmepumpe mitversorgt wird, bereitgestellt. Die Speicher werden so bemessen, dass möglichst der gesamte Warmwasserbedarf durch die Wärmepumpe gedeckt wird. Bei kurzfristig hohem Bedarf und zum Aufheizen auf Temperaturen über 60C hilft ein elektrischer Zusatzheizstab mit. Für die Aufstellung in Kellern, die sich außerhalb der gedämmten Gebäudehülle befinden, gibt es spezielle Warmwasserwärmepumpen, die die Kellerluft (etwa 10 - 13C) als Wärmequelle nutzt.

Zentralversorgung mit der Heizungs-Wärmepumpe

Bei hydraulischer Einbindung eines indirekt beheizten Speicher-Wassererwärmers wird die Heizungs-Wärmepumpe auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Die Temperatur des Brauchwassers wird aus betrieblichen und wirtschaftlichen Gründen auf ca. 55C ausgelegt. Derartige Wärmepumpenanlagen für Heizung und Warmwasserbereitung werden fast immer mit einer Vorrangschaltung für die Warmwasserbereitung ausgerüstet.

Zentralversorgung mit der Warmwasser-Wärmepumpe

Im klassischen Fall entzieht die Wärmepumpe der Umgebungsluft des Aufstellungsraumes Wärme und erwärmt das Brauchwasser auf ca. 55C, zeitweise auch über 60C.

Schema von Luft/Wasser-Wärmepumpen: Innenaufstellung.

Elektrischer Anschluss und Aufstellung

Der Anschluss einer Elektro-Wärmepumpe an das Versorgungsnetz bedarf der Zustimmung des örtlichen Betreibers. Da jedoch viele Versorgungsunternehmen Sondertarife für den elektrischen Betriebsstrom anbieten, steht eine Installation in der Regel nichts entgegen.

Dimensionierung von Wärmepumpen

Monovalent betriebene Wärmepumpen werden so dimensioniert, dass sie auch am kältesten Wintertag die gesamte Gebäudeheizlast decken können. Bei der Bemessung der hierfür erforderlichen Heizleistung sind Zuschläge für die Wiederaufheizung nach abgesenktem Betrieb nicht erforderlich; kleinere Zuschläge erfordern die Warmwasserversorgung, sofern sie über die Heizungs-Wärmepumpe erfolgen soll, oder Sperrzeiten durch das Elektrizitätsversorgungsunternehmen.

Bei bivalent ausgeführten Luft-Wasser-Wärmepumpen empfiehlt sich eine Auslegung der Wärmepumpe auf ca. 60% der Netto-Gebäudeheizlast. Damit ist es in der Regel möglich, den Wärmebedarf des Gebäudes zu mehr als 95% allein mit der Wärmepumpe zu decken. Durch die Höhe der zuschaltbaren Zusatzheizleistung muss sichergestellt sein, dass der Wärmebedarf auch bei extrem niedrigen Außentemperaturen immer gedeckt werden kann.

Staatliche und private Fördermaßnahmen

Der Einsatz der Wärmepumpe wird durch öffentliche Mittel von Bund und Ländern unterstützt: Die KfW-Förderbank vergibt besonders zinsgünstige Darlehen im Programm "Wohnraum Modernisieren" bei klimaschutzrelevanten Maßnahmen (ÖKO-PLUS), zu denen Wärmepumpen zählen. Für umfassende Klimaschutzmaßnahmen (Maßnahmenpakete) an Gebäuden, die vor 1979 errichtet wurden, steht das KfW-CO2-Gebäudesanierungsprogramm zur Verfügung, das die günstigsten Zinskonditionen vorhält und unter bestimmten Voraussetzungen sogar einen Teilschulderlass vorsieht.

Weiterhin zahlen viele Energieversorgungsunternehmen einen Förderbetrag aus, bzw. bieten günstige Bedingungen für die Erschließung von Wärmequellen.

Die Warmwasser-Wärmepumpe WWK 300 von Stiebel Eltron entnimmt der Raumluft Wärme und führt sie dem Brauchwasser zu.

Umweltbilanz im Systemvergleich

Eine Wärmepumpe erzielt eine besonders hohe CO2-Minderung, wenn verschiedene Anlagentechniken miteinander verglichen werden. Diese positiven Ergebnisse sprechen heute dafür, dass sich künftig die Wärmepumpe noch wesentlich stärker verbreiten wird. Zwei Gründe unterstützen die Aussage:

1. Die Wärmepumpe besitzt hinsichtlich Primärenergieeinsparung und CO2-Minderung ein weiteres Entwicklungspotenzial. Dies gilt zum einen für die Erhöhung der Effizienz der Maschinen selbst und zum anderen für die sehr gute Eignung der Wärmepumpe 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.

Umweltverträglichkeit

Bei der Planung eines neuen Gebäudes müssen gemäß EnEV Gebäudehülle und Anlagetechnik miteinander in Beziehung gesetzt werden. Hier zeigt sich die Kombination aus Wärmedämmung des Gebäudes und einer Wärmepumpe deutliche Vorteile im Vergleich zu anderen Lösungen. Wichtig dabei ist der Umstand, dass trotz etwas reduziertem Aufwand für die Dämmung mit der Wärmepumpe dennoch erheblich CO2 gemindert wird.

Zusammenfassung

Das Hauptargument für den Einsatz der Wärmepumpe ist die positive Energie- und Umweltbilanz. Durch die Nutzung kostenlos zur Verfügung stehender Umgebungswärme kann die Wärmepumpe einen wesentlichen Beitrag zur Einsparung fossiler Primärenergieträger leisten.

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 Mitarbeiter in den Energieversorgungsunternehmen über die örtlichen Bedingungen bei Planung und Bau von Wärmepumpenanlagen.


* Dr. Jan Witt ist Referent für Energiemarkt und Neue Technologien beim Fachverband für Energie-Marketing und Anwendung (HEA) e.V. beim VDEW, Frankfurt/M.
** Dipl.-Ing. Joachim Plate ist Geschäftsführer des Bundesverbandes Flächenheizungen e.V., Hagen


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