Die Wärmepumpe stellt eine deutliche Energieeinsparquelle dar. Durch ihren Einsatz als Heizenergie- und Warmwassererzeuger kann sie bei optimaler Auslegung einen ganz erheblichen Teil an Energie einsparen, der ansonsten durch fossile Energieträger (Öl, Gas, Kohle) oder zweifelhaften Energieträgern wie Kernkraft erzeugt werden muss.
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Der Einsatz einer Wärmepumpe ist ein wesentlicher Faktor zum nachhaltigen Umweltschutz, denn durch Ressourcen schonende und Energie effiziente Nutzung trägt sie zum Klimaschutz erheblich bei. Die Warmwassernutzung ist ein weithin unterschätztes Thema beim Energiesparen. Dabei wird knapp 10 Prozent der Energie eines Haushalts durch Warmwasser verbraucht.
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Bei der Wärmepumpe wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme zum Beispiel zum Heizen genutzt (Wärmepumpenheizung).
Hierbei werden physikaliche Prozesse zu Nutzen gemacht. Es handelt sich hier um einen sog. Kreisprozess. Als Kreisprozess bezeichnet man in der Thermodynamik eine Folge von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums (Flüssigkeit, Dampf, Gas, allgemein Fluid genannt) der periodisch abläuft, wobei immer wieder der Ausgangszustand erreicht wird. Es sind technische Prozesse, meist zur Umwandlung von Wärme in Arbeit z. B. zum Heizen durch Aufwenden von Arbeit .
Der Abluft, dem Erdboden oder dem Grundwasser wird durch Einsatz einer Wärmepumpe Energie entzogen. Ein Vielfaches der für die Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Leistung kann der Wärmesenke (Luft, Erdboden) entzogen werden und auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt werden.
Das Fluid (Arbeitsmedium, zumeist ein gut wärmeleitendes Gas, früher Fluor) als Energieträger innerhalb des Kreislaufes nimmt die zugeführte Energie (Luft, Grundwasser, Boden u.s.w.) auf und wird über einen Verdichter verdichtet. Durch diesen Verdichtungsprozess erhitzt sich das Arbeitsmedium (Gesetz von Boyle-Marriot i.V.m. Jaques Charles). In der Praxis kennen wir dies durch das Erhitzen einer Luftpumpe beim Aufpumpen eines Reifens. Die Umgebungtemperatur des Grundwassers oder sonstigen Medium in der Wärmesenke wird somit auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben. Über einen Wärmetauscher wird diese Energie z.B. einem Heizkessel zugeführt. Anschließend wird das Kältemittel über ein Ventil entspannt, wodurch sich dieses sehr stark abkühlt (Joule-Thomson-Effekt ). Dieses Abgekühlte Gas wird zur Wärmeaufnahme wieder der Luft, Grundwasser oder dem Boden zugeführt und der Kreislauf beginnt von vorne…
Wärmegewinnung
Die Wärme aus der Erde
Wenn wir uns in das Erdinnere begäben, würden wir feststellen, das die oberflächennahe Temperatur kontinuierlich zunimmt – um etwa 1 Grad pro 30 Meter. Woher kommt diese Erdwärme und warum wird es mit zunehmnder Tiefe immer wärmer? Fakt ist: Ein großer Teil der Erdwärme (~70 %) wird durch radioaktiven Zerfall instabiler Kerne freigesetzt. Heute sind dies allerdings nur noch die besonders langlebigen Isotope Uran-235, Uran-238, Thorium-232 und Kalium-40 mit Halbwertszeiten von knapp einer bis zu 14 Milliarden Jahren. Bei der Erdentstehung vor etwa 4,6 Milliarden gab es wesentlich mehr radioaktive Isotope. Diese „natürliche Radioaktivität der Erde“ 1 ist für uns Menschen aber nahezu unschädlich, anders ist es bei der Radioaktivität aus Kernspaltungen wie bspw. den Atomkraftwerken.
Inzwischen wird die Erdwärme auch zur Energiegewinnung eingesetzt. Mit dem sog. Hot-Dry-Rock-Verfahren decken die Isländer bereits heute 7% des Strombedarfs auf diese Weise. In jüngster Zeit werden in Pilotprojekten auch bei uns Erdwärme und heiße Quellen mehr und mehr zur Beheizung von Gebäuden und ganzen Stadtteilen genutzt. Streng genommen ist die Erdwärme nicht unerschöpflich, wird aber noch Millionen von Jahren weiter bestehen.
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1 Die durch Zerfall der instabilen Kerne produzierte Erdwärme ist unter anderem auch für die Konvektionsströmungen im Erdmantel verantwortlich, die wiederum zu den Plattenbewegungen in der äußeren Erdschicht, der Lithosphäre, führen. Auf diese Weise gibt es auch einen engen Zusammenhang zwischen der Radioaktivität im Inneren der Erde und den Kontinentalverschiebungen, Vulkaneruptionen und Erdbeben an ihrer Oberfläche.
Wärmepumpe als Erdreich-Flächenkollektor
Das Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, um eine monovalente2 Elektro-Wärmepumpe wirtschaftlich zu betreiben. Die Temperatur im Erdreich nahe der Oberfläche liegt entsprechend der Jahreszeit zwischen -5° C und +17° C. Ein Rohrschlangensystem wird ca. 0,2 m unterhalb der Frostgrenze (in 1 bis 1,2 m Tiefe) verlegt. Bei Neubauten ist die Verlegung meistens problemlos möglich, da ohnehin zahlreiche Erdarbeiten vorgenommen werden. Idealerweise ist der Boden lehmig-feucht, da die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs mit zunehmendem Wassergehalt zunimmt und somit eine gute Wärmespeicherung ermöglicht. Hier können i.M. etwa 25 W/m2 Wärmeleistung entnommen werden. Nachteil: Die Kollektorfläche kann je nach der benötigten Gesamt-Wärmeleistung (Wärmebedarf des Gebäudes) eine relativ große Installations-Fläche beanspruchen. Über den Daumen kann man etwa die 1,5-fache Kollektorfläche zur beheizten Wohnfläche annehmen.
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2 monovalent: einwertig; alleine durch diese (ohne weitere Unterstützung)
Wärmepumpe als Erdreich-Erdwärmesonde
Eine Alternative zu Flächenkollektoren ist die Erdwärmesonde. Das Erdreich hat ab einer Tiefe von 10 m eine relativ konstante Temperatur von etwa 8-10° C – das ganze Jahr hindurch. Für die Erdsonde wird in einem Spül- oder Hammerbohrverfahren eine Bohrung mit einem Durchmesser von ca. 20 cm erstellt. Bei Erdwärmesonden werden vorgefertigte Kunststoffrohrbündel (überwiegend werden Doppel-U-Rohre aus HDPE verwendet) in das Bohrloch eingeführt und der Ringraum mit einem Bentonit / Zement / Wasser-Gemisch abgedichtet. Die Sondentiefe liegt üblicherweise zwischen 25 und 200 m. Da bei Bohrungen über 100 m ein bergrechtliches Verfahren durchgeführt werden muss, beschränken sich viele Anlagen auf diese Tiefe. Zu beachten ist, dass für das Einbringen und Betreiben von Erdwärmesonden eine wasserrechtliche Erlaubnis bei der zuständigen Verwaltungsbehörde eingeholt werden muss.
Vorteil: Die Erschließung der Wärmequelle kann mit relativ geringem Geländebedarf sowohl bei Neubauten aber auch im Bestand erfolgen.
Bitte beachten, es gibt keinen Bausatz für die Erdwärmeheizung! Die Planung sollte immer einem Fachmann überlassen werden damit alles „rund“ läuft.
Wärmequellen
Nicht jede Wärmepumpe nutzt die Energie aus dem Erdreich. So gibt es Wärmepumpen die die Luft als Wärmequelle nutzen. Dabei wird die Außenluft angesaugt und umgewälzt. Die in der Luft enthaltene Energie wird über einen Wärmetauscher zur Wärmeerzeugung genutzt. Vorteil: Luft steht unbegrenzt zur Verfügung. Nachteil: Die in der Luft enthaltene Energie ist sehr gering und im Winter ist die Aussenluft oftmals zu kalt um für Wärme genutzt zu werden. Aber es gibt auch Wärmepumpen die das Grundwasser (falls vorhanden) als Wärmequelle nutzen. Grundwasser ist ein idealer Wärmespeicher und hat selbst in kalten Wintertagen noch eine Temperatur von + 7 C bis + 12° C. Für diese Technik ist je ein Förder- und Schluckbrunnen zu installieren die den Vor- und Rücklauf darstellen.
Die Heizungsanlage
Die Wärmeabgabe der Wärmepumpe erfolgt wie bei jeder Zentralheizung über die Heizkörper (Radiatoren, Konvektoren oder integrierte Heizflächen wie z.B. einer Fußbodenheizung).
Die Fußbodenheizung, wegen ihrer niedrigen Vorlauftemperatur von 30° C bis 40° C, eignet sich besonders für den Betrieb einer Wärmepumpe. Aber auch für Vorlauftemperaturen von > 55° C gibt es bereits geeignete Wärmepumpen. Diese sind vor allem für den Ersatz in Altbauten interessant und machen den Austausch von bereits vorhandenen Heizkörpern meist unnötig. Eine bivalente Nutzung in (noch) nicht modernisierten Altbauten ist zweckmäßig, da die Wärmeleistung der Wärmepumpe an den späteren Stand des Gebäudes angepasst werden kann. Damit kann man erreichen, dass das 2te Heizungssystem später entfernt und die Wärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger (monovalent oder monoenergetisch) betrieben werden kann. Achten Sie bei der Planung auf diesen entscheidenden Punkt.
Die Warmwasser-Nutzung
Die Warmwasserversorgung zur Warmwassernutzung erfolgt zentral über einen Warmwasserspeicher oder Pufferspeicher. Die Anlage kann zusätzlich (optional) mit einem Latentwasserspeicher ausgerüstet (oder Nachgerüstet) werden. Der Latentwasserspeicher unterstüzt die Gesamtanlage sowohl für die Warm- als auch die Kühlwassernutzung. Die Kühlwassernutzung ist insbesondere im Sommer zur Kühlung der Räume sinnvoll.
Der End-Energiebedarf einer Wärmepumpe
Die eingesetzte Endenergie, auch Hilfsenergie genannt, ist im Normalfall der Strom der benötigt wird um die Pumpen anzutreiben. Der Endenergiebedarf einer Wärmepumpe hängt ganz entscheidend von der Effizienz, d.h. Auslegung der jeweiligen Anlage ab. Die Arbeitszahl ? (beta) gibt das Verhältnis von NUTZEN zum AUFWAND, also die HEIZARBEIT zur ANTRIEBSART an. Je größer das Verhältnis (bspw. 4,0) umso höher (besser) der NUTZEN (Heizen/Kühlen) umso geringer (besser) der Aufwand an Hilfsenergie (Strombedarf). Die Arbeitszahl ?=4,0 bedeutet somit, das die Wärmepumpe lediglich 1Teil Strom benötigt um 4Teile Heizkraft zu erzeugen. Bei niedrigen Aussentemperaturen kann die Arbeitszahl der Wärmepumpe ungünstiger sein.
Die Kosten einer Wärmepumpe
Selbst wenn Wärmepumpen in der Anschaffung verglichen mit konventionellen Heizungen teurer sind, so liegen sie bei Energie- und Betriebskosten doch deutlich niedriger und sind deshalb mittel- bis langfristig wirtschaftlich attraktiver. Bei Erdsonden in Verbindung mit Wärmepumpen liegen die Investitionskosten bei etwa 800 bis 1000 EUR je kW Entzugsleistung bzw. bei 70 bis 80 EUR/m Sondenlänge.
Bei der Grundwassernutzung hängen die Kosten stark von den örtlichen Gegebenheiten ab und müssen im Einzelfall ermittelt werden.
Fördermittel für Wärmepumpen
Für den Einbau von Wärmepumpen gibt es eine Reihe von Fördermitteln. Der Bund, die Länder oder auch Gemeinden verfügen über Fördermittel, die z.T. als nicht rückzahlbare Zuschüsse oder als zinsgünstige Darlehen vergeben werden. Neben Fördermitteln bieten EVU fast immer Sondertarife für Strom an, die deutlich unter den normalen Preisen liegen. Sonderverträge enthalten entweder einen einheitlichen Arbeitspreis über die gesamte Freigabedauer, oder es werden zwei Preise für die Schwachlastzeit und für die übrige Freigabezeit vereinbart. In einigen Fällen kann eine kostenlose Planungsunterstützung und Beratung mindestens bis zur Inbetriebnahme der Anlage in Anspruch genommen werden.
Alle Programme sind normalerweise zeitlich begrenzt und werden laufend angepasst. Eine rechtzeitige Erkundigung oder Beratung über aktuelle Fördermittel ist deshalb ratsam. Lassen Sie sich für Ihr Bauvorhaben frühzeitig beraten, denn ein bereits begonnenes Bauvorhaben kann i.d.R. nicht mehr gefördert werden
Die Vorteile einer Wärmepumpe
(bei optimaler Auslegung des Gesamtsystems):
- das Heizungssystem der Zukunft
- auch zur Kühlung zu verwenden
- nutzt regenerative Energien (Erdwärme oder Umgebungsluft)
- senkt den CO2-Ausstoß erheblich (Umweltschutz)
- funktioniert ohne gefährliche Brennstoffe
- senkt die Verbrauchs- und Betriebskosten
- im Neubau – aber auch in Bestandsgebäuden einsetzbar
- benötigt Strom, der ggfs. günstiger eingekauft werden kann (Wärmepumpenstrom)
- verringert den Einsatz fossiler Brennstoffe
- emittiert keine klimaschädlichen Gase
- benötigt keinen Vorratsraum für Brennstoffe und keinen Gasanschluss
- wird vom Staat, den Bundesländern und den Energieversorgern gefördert
- hebt den Wert des Hauses
- lässt sich im Haus und auch außerhalb aufstellen
- benötigt keinen Schornstein
- benötigt keine Abgasmessung
- nahezu wartungsfrei
- relativ leise
- platzsparend
Weitere Zusammenfassung bei der Stiftung Warentest.
Die Nachteile einer Wärmepumpe
(bei nicht optimaler Auslegung des Gesamtsystems):
- Vereisung der Sonden möglich,
- Schäden an Sonde wegen Vereisung,
- Vereisung tritt dann auf, wenn Gefrierpunkt des Kondensats unterschritten wird,
- Vereisung tritt meistens unbemerkt auf (Anlage geht auf Teil-Störung),
- Der Boden kann sich ggfs. nicht schnell genug regenerieren,
- Heizstab arbeitet bei Störungen im System dauerhaft – mit teurem Strom (monovalente Variante),
- hohe Invstitionskosten der Gesamtanlage,
- bei nicht sachgerechter Auslegung der Anlage hohe Wartungsanfälligkeit,
- Nutzerverhalten muss auf Wärmepumpensystem abgestimmt sein!
- In Mehrfamilienhäusern kann monovalentes System ggfs. ungünstig sein (Lüftungsverhalten der Nutzer)
- Herstellerangaben zur Jahresarbeitszahl (JAZ) kann nicht Maß der wirklichen Dinge sein.
