Wärmepumpe

Wärmepumpen sind eine etablierte Technologie nicht nur zur Beheizung von Gebäuden. Sie können auch zur Warmwasserbereitung, zur Wärmerückgewinnung und zur Kühlung (Anmerkung: durch gute Planung eines Gebäudes kann die Notwendigkeit einer Kühlung zumeist vermieden werden) eingesetzt werden.

Eine Wärmpumpe arbeitet dabei nach dem umgekehrten Prinzips eines Kühlschranks. Während ein Kühlschrank dem Inneren Wärme entzieht und diese an der Rückseite nach außen abgibt, entnimmt die Wärmepumpe der Umgebung (Grundwasser, Erdreich, Luft) Wärme und pumpt diese mittels elektrischer Energie auf höhere Temperatur zur Nutzung für Heizung und Warmwasserbereitung. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) gibt dabei an, wieviel nutzbare Wärme pro eingesetzter elektrischer Energie bereitgestellt wird. Eine Jahresarbeitszahl von 4 bedeutet somit, dass mittels einer Kilowattstunde (kWh) elektrischer Energie 4 kWh Wärme erzeugt werden. 3 kWh werden der Umgebung entzogen.

Wichtig ist, die Jahresarbeitszahl JAZ nicht mit der Leistungszahl bzw. dem Coefficient of Performance (COP) zu verwechseln. Dieser gibt die Effizienz der Wärmepumpe bei einem bestimmten Betriebszustand an, ist höher als die JAZ und wird gerne in Werbeprospekten angegeben.


Effizienz und Ökologie

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt von der Jahresarbeitszahl (JAZ) ab. Sie bestimmt den Strombedarf der Heizung und damit die Heizkosten. Die Jahresarbeitszahl wird dadurch bestimmt, wie „hoch die Wärme gepumpt“ werden muss. Das heißt, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und notwendiger Temperatur für die Heizung und Warmwasserbereitung ist, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Somit ergeben sich folgende wesentliche Faktoren für einen sinnvollen Betrieb:

  • Heizsystem: die Vorlauftemperaturen sollten maximal 35°C betragen. Daher ist ein Niedertemperaturheizsystem wie eine Fußboden- oder Wandheizung notwendig.
  • Gebäudedämmung: Geringe Vorlauftemperaturen sind nur für gut gedämmte Gebäude möglich. Ideal ist ein Heizwärmebedarf (HWB) unter 50 kWh/m².
  • Warmwasserbereitung: Für die Warmwasserbereitung sind höhere Temperaturen als für die Heizung notwendig. Daher ist die Wärmepumpe für die Warmwasserbereitung wenig effizient. Es ist die Kombination mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung empfehlenswert.
  • Wärmequelle: Ideal ist eine möglichst hohe Temperatur der Wärmequelle. Luftwärmepumpen haben hier den Nachteil, dass gerade wenn die höchste Heizleistung von Nöten ist, die Wärmequelle Außenluft am kältesten ist.
  • Planung und Ausführung: Selbstverständlich ist für einen effizienten Betrieb eine sorgfältige Planung und Ausführung des gesamten Systems (Wärmebedarf, Wärmeabgabe, Wärmepumpe und Wärmequelle).


Aus ökologischer Sicht zeichnet sich die Wärmepumpe dadurch aus, dass sie lokal keine Emissionen verursacht. Auch ist ein großer Teil der Energie erneuerbare Umgebungswärme. Allerdings muss die elektrische Energie für den Antrieb der Wärmepumpe anderenorts erzeugt werden. Gerade im Winter stammt dieser Strom zu einem größeren Teil aus fossilen Kraftwerken. Daher ist auch aus ökologischer Sicht eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl (JAZ) notwendig. Verschiedene Studien zeigen, dass erst mit einer Arbeitszahl von über 3 ein ökologischer Vorteil gegenüber einer fossilen Heizung erreicht werden kann. Daher ist für eine wesentliche CO2 Einsparung eine Jahresarbeitszahl von 4 notwendig.

Zum anderen kann die Ökobilanz einer Wärmepumpe durch die Wahl von Ökostrom zum Betrieb der Wärmepumpe verbessert werden. Auch durch die Installation einer Photovoltaikanlage kann ein Zeichen für zusätzlichen erneuerbaren Strom gesetzt werden. Freilich liefert die Photovoltaik-Anlage während der Heizsaison kaum überschüssige elektrische Energie, Aus diesem Grund steigt der Eigennutzungsgrad einer Photovoltaikanlage durch die Wärmepumpe nur geringfügig.


Wärmequellen

Als Wärmequellen für die Umgebungswärme stehen Außenluft, Erdreich und Grundwasser zur Verfügung.


Außenluft

Die Außenluft ist unbeschränkt verfügbar und mit relativ geringen Investitionen zu nutzen. Allerdings ist die Effizienz der Luftnutzung deutlich geringer, da, wenn die größte Heizleistung notwendig ist, die Außenluft die tiefsten Temperaturen aufweist und daher der Temperaturhub am größten ist. Zudem ist bei Luftwärmepumpen auf die Geräuschentwicklung bei der Luftansaugung und auf Eisbildung zu achten. Luftwärmepumpen sind daher nur bei Niedrigstenergiegebäuden sinnvoll einzusetzen.

Erdreich – Erdkollektor
Erdkollektoren sind Rohre oder Matten, die in 100 bis 150 cm Tiefe im Erdreich verlegt werden. Die notwendige Fläche hängt von der benötigten Heizleistung und der Bodenbeschaffenheit ab. Zur Abschätzung kann man von einem Flächenbedarf von 25 m² pro kW Heizleistung ausgegangen werden. Das ergibt eine Entzugsfläche, die dem 1 ½ bis 3-fachen der beheizten Wohnfläche entspricht.


Erdreich und Erdwärmesonde

Erdwärmesonden sind in der Regel Kunststoffrohre, die mittels Tiefbohrung (etwa 150 m) eingebracht werden. Man kann von etwa 20 Laufmeter Sondenlänge je kW Heizleistung ausgehen.


Grundwasser

Für die Grundwassernutzung wird über einen Förderbrunnen das Grundwasser entnommen, mittels der Wärmepumpe Wärme entzogen und das abgekühlte Grundwasser in etwa 10 m Entfernung über den Schluckbrunnen wieder zurückgeführt. Vor der Nutzung ist eine wasserrechtliche Bewilligung einzuholen.