Wärmepumpen sind die einzigen Heizungsanlagen, die Wärme ohne direkten Verbrennungsvorgang zur Verfügung stellen.
Ihre Funktionsweise nach dem Wärmetauscherprinzip entspricht der eines Kühlschranks mit umgekehrter Wirkungsweise. Dabei dient entweder Geothermie (Erdwärme), Hydrothermie (Wasserwärme) oder Aerothermie (Luftwärme) als Wärmequelle. Dem jeweiligen Medium entzieht ein Kollektor (Verdampfer) Energie, indem er diese durch einen physikalischen Vorgang abkühlt. Die gewonnene Energie wird dann als Wärme dem Heizsystem des Gebäudes zugeführt. Die Funktionsweise der Wärmepumpen-Maschine ist dabei immer gleich, lediglich die Art und Bauweise des Kollektors unterscheidet die einzelnen Systeme. Die Auswahl des richtigen Systems hängt stark von den örtlichen Verhältnissen ab. Wärmepumpen sind eine seit Jahren bewährte Technologie, beim Neubau, aber auch bei der Sanierung von Gebäuden.
Die Wärmepumpentechnologie beruht auf dem gleichen Wirkungsprinzip wie ein Kühlschrank, nur in umgekehrter Funktionsweise. Beide machen sich den Joule-Thomson-Effekt zunutze. Dieser beschreibt den physikalischen Vorgang, dass ein Gas durch Änderung der Druckverhältnisse seine Temperatur ändert, ohne dass dazu Energie zugeführt werden muss. Durch Kompression eines Gases steigt seine Temperatur, durch Dekompression singt sie. Dementsprechend ist das Herzstück einer Wärmepumpe der sogenannte Verdichter, der die Temperatur des gasförmigen Arbeitsmediums durch Verdichtung erhöht. Neben der eigentlichen Wärmepumpe ist auch ein Kollektor notwendig, der einem anderen Medium, wie Luft, Wasser oder Erdreich, Energie entziehen kann. Beim Kühlschrank ist dies die rückseitige Drahtwendel, der Kondensator, der der Umgebungsluft Energie in Form von Wärme zuführt. Zum Betrieb der Wärmepumpe und vor allem des Verdichters ist die Zufuhr von Energie notwendig, z.B. als elektrischer Strom. Je weniger Energie für den Betrieb notwendig ist, desto höher ist die sogenannte Jahresarbeitszahl, also der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe. Für alle Wärmepumpen gilt der Grundsatz: Je höher die Temperatur des Mediums, desto höher die Effizienz der Anlage.
Neben elektrischem Strom kann auch Erdgas als Energiequelle eingesetzt werden, Thema dieser bauwion-Wissenseite sind jedoch ausschließlich elektrisch betriebene Wärmepumpen.
Funktionsweise im Schema:
Gütesiegel: Wärmepumpen können mit dem EHPA-Gütesiegel (früher DACH-Gütesiegel) ausgezeichnet sein. Dieses wird von der European Heat Pump Association verliehen, wenn die geprüfte Anlage einheitlich eingeführte Standards erfüllt. Bei den Tests werden sowohl technische Werte wie Mindestwirkungsgrad, Einsatzgrenzen oder Schallemissionen geprüft, aber auch die Herstellerangaben, die Service- und Ersatzteilsicherheit sowie die Qualität der Planungsunterlagen. Grundlage der Prüfungen ist insbesondere die DIN EN 14511.
Aufstellort: Durch Einsatz von sogenannten Scroll-Kompressoren sind moderne Sole- und Wasser-Wärmepumpen sehr leise, das Emissionsgeräusch ist vergleichbar mit dem eines Kühlschranks. Eine elektrisch betriebene Wärmepumpe kann also auch in untergeordneten Wohnbereichen stehen, wie z. B. im Waschraum oder Abstellraum. Ein Aufstellort in der unmittelbaren Nähe von Schlafräumen ist dagegen nicht ratsam. Dagegen können Luft-Wärmepumpen je nach Leistung einen Lärmpegel erreichen, der durchaus als störend empfunden werden kann. Der Wahl des richtigen Aufstellortes, vor allem des Kollektors in Form des Ventilators, kommt also erhöhte Aufmerksamkeit zu. Ausführliche Untersuchungsergebnisse, Handlungsempfehlungen sowie einen ►„Schall-Rechner" bietet der Bundesverband Wärmepumpe.
Heizsystem: Wärmepumpen arbeiten am effektivsten, wenn sie niedrige Vorlauftemperaturen erzeugen müssen. Die optimalen Vorlauftemperaturen liegen bei max. ca. 30° bis 35°C. Aus diesem Grund sollten Wärmepumpen vorrangig mit Niedertemperaturheizungen wie Fußboden- oder Wandheizungen kombiniert werden. Moderne Wärmepumpen leisten zwar auch höhere Vorlauftemperaturen für z. B. Konvektoren, sind dann aber weniger effektiv und verbrauchen relativ gesehen mehr elektrische Antriebsenergie.
Kühlung: Wärmepumpen eignen sich auch zur kühlenden Temperierung von Gebäuden im Sommerfall. Dabei wird der Prozessvorgang im Gerät umgedreht und die Wärme wird aus dem Gebäude in die Umgebung „gepumpt“. Dabei ist die Art des Kollektors entscheidend. Während eine Luftwärmepumpe auf Grund der gleichzeitig hohen Umgebungstemperatur ungeeignet ist, kann die Grundwasser-Wärmepumpe auf das immer kühle Grundwasser zurückgreifen und einen deutlichen Kühleffekt für die Innenräume bewirken. Dabei ist der begrenzende Faktor meist die Art der Übertragungsflächen. Wenn die „Kälte“ z. B. über die Bodenheizung abgegeben werden soll, ist mit Hilfe eines Sensors darauf zu achten, dass es durch die geringe Vorlauftemperatur nicht zu Kondensation im Bodenaufbau kommt. Insofern können Wärmepumpen niemals Klimaanlagen ersetzen oder vergleichbare Leistungen erbringen. Man unterscheidet aktive und passive Kühlung mit Wärmepumpen, s. Lexikonbeiträge ► Wärmepumpe, Aktiv-Kühlung und ► Wärmepumpe, Passiv-Kühlung.
Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz: Das EEWärmeG schreibt vor, dass neu errichtete Gebäude mit > 50 m² Nutzfläche ihren Gesamtenergieverbrauch (Wärme und Kälte) zum Teil durch erneuerbare Energien decken müssen. Ziel ist es, den Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch im Sinne einer klimafreundlichen Energiewirtschaft bis 2020 auf 14 % zu erhöhen. Dieses Gesetz gilt allein dadurch als erfüllt, wenn dabei der Anteil der Nutzung von Umwelt- und Geothermie (Wärmepumpentechnologie) mindestens 50 % beträgt. Bei grundlegend renovierten öffentlichen Gebäuden muss dieser Anteil 15 % betragen. Eine Ersatzmaßnahme, wie z. B. eine zusätzliche Solaranlage, ist beim Einsatz von Wärmepumpen als Heizanlagen also nicht notwendig, wenn auch die technischen Bedingungen nach der Anlage „Anforderungen an die Nutzung von Erneuerbaren Energien“ des EEWärmeG erfüllt sind.
Förderung BAFA: Der Einbau von Wärmepumpen kann durch das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) für den Einbau in Bestandsgebäude gefördert werden, wenn die entsprechenden Fördervoraussetzungen erfüllt sind. Über diese sogenannte Basisförderung hinaus bietet das BAFA ebenfalls eine Innovations- und Zusatzförderung für Wärmepumpenanlagen mit hoher Jahresarbeitszahl oder verbesserter Systemeffizienz nach den BAFA-Kriterien. Diese Zusatzförderung kann auch für Neubauten beantragt werden, sofern beide Kriterien, eine hohe Jahresarbeitszahl und eine verbesserte Systemeffizienz nach den BAFA-Kriterien, erfüllt werden.
Die genauen Voraussetzungen und Fördersätze der einzelnen Anlagen findet man auf der Internetseite des ►BAFA.
Förderung KfW: Die KfW-Förderbank fördert den Einbau von Wärmepumpen in Bestandsgebäude durch zinsgünstige Kredite, aber auch durch Investitionszuschüsse. Gefördert werden Privatpersonen, die Wohnraum energetisch sanieren oder sanierten Wohnraum kaufen. Hierfür können verschiedene Programme mit den unterschiedlichsten Voraussetzungen und Förderkonditionen gewählt werden. Gemeinsame Grundlage ist bei allen Programmen, dass nur die Sanierung und nicht der Neubau gefördert wird und jeweils eine, aus umweltenergetischer Sicht betrachtete, deutliche Verbesserung mit der Erneuerung verbunden ist. Weitere Informationen zur Förderung findet man auf der Internetseite der ► KfW-Bank.
Stromtarif und Sperrzeiten: Zum Betrieb von Wärmepumpen wird Antriebsstrom benötigt, der von den meisten Elektroversorgungsunternehmen (EVU) mit einem gesonderten, deutlich niedrigeren, Heiztarif abgerechnet wird, sodass die Anlagen derzeit sehr wirtschaftlich zu betreiben sind. Dafür stellt das EVU einen eigenen Stromzähler bereit. Damit verbunden ist aber in der Regel eine sogenannt Sperrzeit, in der das EVU zur Entlastung von Verbrauchsspitzen die Wärmepumpen vorübergehend nicht mit Strom versorgt, die Anlage also keine Wärme liefert. Diese Sperrzeit darf täglich höchstens 3 mal 2 Stunden betragen. Da dieser Ausfall überbrückt werden muss, sollte mindestens die in dieser Zeit benötigte Wärmemenge in einem Pufferspeicher vorgehalten werden können. Auch der Betrieb von Fußbodenheizungen führt auf Grund der Trägheit und Speichermasse des Estrichs zu einer Pufferung der Ausfallzeit, sodass bei entsprechender Dimensionierung keine Komforteinschränkungen spürbar sind. Bei der Planung einer Wärmepumpenanlage müssen also die individuellen Sperrzeiten berücksichtigt werden. Andernfalls würde der Elektroheizstab die fehlende Leistung überbrücken, was den Stromverbrauch deutlich steigern würde.
Wartung: Wärmepumpen müssen, wie alle technischen Anlagen, regelmäßig gewartet werden. Da keine Verbrennung stattfindet sind die Frequenz und die Kosten für die Wartungsarbeiten jedoch eher gering.
DIN EN 14511-1, Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern für die Raumbeheizung und -kühlung - Teil 1: Begriffe und Klassifizierung
DIN EN 14511-4, Luftkonditionierer, Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen mit elektrisch angetriebenen Verdichtern für die Raumbeheizung und -kühlung - Teil 4: Betriebsanforderungen, Kennzeichnung und Anleitung
VDI-Richtlinie: VDI 4640 Blatt 1: Berichtigung Thermische Nutzung des Untergrunds - Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte, Berichtigung zur Richtlinie VDI 4640 Blatt 1:2010-06
► Leitfaden Erdwärmesonden in Bayern, Bundesverband WärmePumpe (BWP) e.V. (pdf)
► Leitfaden zur geothermischen Nutzung des oberflächennahen Untergrundes, Erdwärmekollektoren – Erdwärmesonden Empfehlungen für Planer, Ingenieure und Bauherren, Landesamt Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume, Schleswig-Holstein (pdf)
► EEWärmeG Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (pdf)
► JAZ-Rechner des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V.
Quelle: bauwion
