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ANLAGENTECHNIK

Wärmesysteme mit Wärmepumpe

Mit der Verteuerung und Verknappung fossiler Energieträger rückt die Wärmepumpe trotz relativ hoher Anschaffungskosten zunehmend in den Blickpunkt. Damit verbunden ist eine zum Teil stark emotionalisierte Diskussion über Sinn und Unsinn des Einsatzes. Für die einen ist sie ein „Klimakiller im Schafspelz“ (siehe: Wärmepumpe ist keine Universallösung), für andere ein Wunderaggregat, das als Allheilmittel gegen steigende Heizkosten angepriesen wird. Die nächsten finden die Wärmepumpe einfach nur trendy: „Ich tu was für den Klimaschutz, ich heize mit einer Wärmepumpe!“

Gebäudeenergieberatern und thermodynamischen Laien fällt es oftmals schwer, den Stellenwert einer Wärmepumpe (in diesem Artikel immer elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpen) richtig einzuschätzen. Das ist auch nicht verwunderlich, denn ein Allheilmittel ist die Wärmepumpe nicht, aber auch kein „Klimakiller“. Besonders wichtig ist: Die Randbedingungen haben einen viel größeren Einfluss auf die Energieeffizienz als bei allen anderen Heizungssystemen.

Gut zu wissen
Im Gegensatz zu einem modulierenden Gasheizkessel arbeitet der Kompressor (Verdichter) der meisten Wärmepumpen nur mit einer bestimmten Antriebsleistung. Die Wärmepumpe muss also bei höheren Außentemperaturen bzw. geringem Wärmebedarf takten. Um zu häufiges Ein- und Ausschalten zu vermeiden, muss auf der Verbraucherseite Wärme gepuffert werden können. Dies kann beispielsweise durch eine Fußbodenheizung erfüllt werden. Erfolgt die Wärmeübergabe durch Radiatoren oder Kompaktheizkörper, ist ein Pufferspeicher auf der Heizungsseite einzusetzen.

Eine Wärmepumpe holt sich die benötigte Umweltwärme „um jeden Preis“ (Verbrauch elektrischer Antriebsenergie). Das geschieht so lange, bis eine Temperatur-bedingte Grenze im System (z.B. Isolationseffekt und Oberflächenverringerung durch einen vereisten Wärmeübertrager) überschritten wird. Danach geht sie auf Störung und schaltet den Kompressor ab. Oft unbemerkt wird dann ein zusätzlicher Heizstab eingeschaltet, der das Gebäude ausschließlich elektrisch beheizt. Darum ist bei der Planung und Auslegung dafür zu sorgen, dass für einen energiesparenden Betrieb immer genügend Umweltwärme auf möglichst hohem Temperaturniveau (< ca. 20°C) bereit steht.

Unüberlegter Einbau mit unangenehmen Folgen
Ein Negativbeispiel, das in der Praxis leider viel zu häufig vorkommt: Der alte Heizkessel eines Mietshauses soll gegen eine Wärmepumpe ausgetauscht werden. Das Konzept resultiert jedoch nicht aus einer ganzheitlichen Betrachtung, sondern wurde durch Werbeaussagen initiiert. Aber: Das Heizungssystem wurde vor 30 Jahren auf eine Vorlauftemperatur von 70°C ausgelegt. Da die Heizkosten nicht individuell abgerechnet werden, gehen die Mieter nicht gerade sparsam mit Heizenergie um, (z.B. Kipplüftung). Abgesehen von der Kellerdecke und der obersten Geschossdecke ist eine weitere Sanierung der Gebäudehülle momentan nicht vorgesehen.

Da dem Vermieter die Kosten und die Umstände für Erdbohrungen zu teuer sind, wird der Heizkessel durch eine Außenluft/Wasser-Wärmepumpe ersetzt. Doch die wohlklingende Leistungszahl von 4,4 (mit 1,0 kWh elektrischer Energie werden 4,4 kWh Wärme bereitgestellt) relativiert sich durch die Bedingungen „A10/W35“. Nur bei einer Außenlufttemperatur von 10°C und einer Vorlauftemperatur von 35°C wird dieser gute Wert erreicht. Höhere Vorlauftemperaturen oder kühlere Außenluft verringern die Leistungszahl deutlich. Falls das System an kalten Tagen überhaupt eine bedarfsgerechte Beheizung mit annehmbaren Innentemperaturen realisieren kann, bleibt der Einbau nicht ohne Folgen: Höhere Heizkosten als vorher, höherer Primärenergieverbrauch als mit dem alten Heizkessel und nicht selten Kosten für Gutachten und Prozesse.

Stellt sich die Frage: Wäre der Einsatz einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonden und ganzjährig höherer Quellentemperatur sinnvoller gewesen? Die Antwort ist: Nein! Die Gewohnheit der Kipplüftung bei den meisten Mietern hätte auch bei moderaten Außentemperaturen zum Dauerbetrieb des Wärmeerzeugers geführt. Selbst eine ausreichend dimensionierte Erdquelle wäre dadurch innerhalb kurzer Zeit stark ausgekühlt. Die Wärmepumpe könnte einerseits keine ausreichenden Leistungszahlen erreichen, andererseits wäre die Gefahr groß, dass die Erdsonde in der zweiten Hälfte der Heizperiode so stark ausgekühlt wird, dass sie vereist und eine natürliche Regeneration bis zum nächsten Winter nicht mehr möglich wäre. Ganz abgesehen davon kann die Erdsonde durch die Vereisung irreparabel beschädigt werden.

Ganzheitliche Systembetrachtung
Ein Energieberater wäre mit einer Gesamtbetrachtung zu einer anderen Systemkonfiguration gekommen. Der Eigentümer wäre mit einer klein dimensionierten Wärmepumpe besser beraten gewesen, die bivalent mit dem vorhandenen Heizkessel so lange betrieben wird, bis die Gebäudehülle komplett saniert ist. Genau auf diesen Gebäudezustand, hätte die Wärmepumpe ausgelegt werden müssen.

In der weiteren Betrachtung hätte sich daraus eine Umschalttemperatur von ca. 0°C ergeben. Die Wärmepumpe könnte dann als Grundlastwärmeerzeuger bis 90% der Jahresheizarbeit mit guten Leistungszahlen erbringen. Erst nach der kompletten Sanierung und Umstellung auf individuelle Heizkostenabrechnung würde der alte Heizkessel stillgelegt. Die verbesserte Gebäudehülle lässt dann ohne Austausch des Wärmeverteilsystems „automatisch“ niedrigere Vorlauftemperaturen zu. Erst dann existieren Bedingungen, die einen monoenergetischen (Wärmepumpe plus Heizstab) oder monovalenten (reiner Wärmepumpenbetrieb) Einsatz der Wärmepumpe sinnvoll machen.

Fazit
Vor dem Einbau eines Wärmepumpensystems ist eine Reihe von Randbedingungen zu beachten. Dazu gehören die Umweltwärmequelle und die Wärmepumpe selbst genauso, wie das Wärmeverteilsystem, die energetische Qualität eines Gebäudes und das Nutzerverhalten. Ideal für den Einsatz einer Wärmepumpe für die Gebäudeheizung sind eine möglichst gleichbleibend warme Umweltwärmequelle und ein Wärmeverteilsystem mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen (Flächenheizung). Das Gebäude sollte eine hohe energetische Qualität vorweisen und die Nutzer sollten sparsam mit Wärmeenergie umgehen.

Markus Patschke, www.3e-consult.de

Ein zweiter Artikel zum Thema Wärmepumpe in einem kommenden GEB-Infoletter wird verstärkt technische Belange und Einsatzmöglichkeiten behandeln.

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