Die Wärmepumpe

Inhalt

Schont Klima und Umwelt? Gibt es sinnvolle Einsätze? Die Jahresarbeitszahl (JAZ) selber bestimmen Feldtests betätigen: JAZ = 3 wird selten erreicht :-( Die Praxis in einem realen Beispiel 100% Öko Infos für Leute, die tiefer einsteigen wollen

30 bis 100% Stromheizung sind möglich!

Schont Klima und Umwelt?

Aus gutem Grund werden elektrische Kompressionswärmepumpen (WP) nicht gefördert, wenn man sie in den Programmen zur Nutzung 'erneuerbarer' Energien suchen sollte.
Sie beziehen Ihre Energie aus der Steckdose und bei der Herstellung des Stroms in Wärmekraftwerken gehen naturgemäß etwa die Hälfte bis 2/3 der eingesetzten Brennstoffenergie verloren (Grund ist der Carnot-Prozess). Nur 12% in dem europäischen Strommix werden nicht durch Kohle- oder Kernkraftwerke erzeugt. Wegen der Kraftwerksverluste ist die Kilowattstunde Strom deshalb auch etwa 5 mal teuer als die Kilowattstunde Gas oder Öl. Eine Wärmepumpe müsste also a prori immer mit einer besseren Leistungszahl als 3 laufen, um schon dem Argument zu entgehen, sie sei eine subventionierte Stromheizung:
      Da jetzt endlich die Öffentlichkeit begriffen hat, dass der Strom-Wärmemarkt mit Nachtspeicherheizungen und Elektro-Bodendirektheizungen eine ökologisch Ressourcenverschwendung sind, kam den 4 deutschen Stromerzeugerriesen die Elektro-Wärmepumpe gerade recht, um die Absatzlücke der abgebauten Nachtspeicher zu füllen. Jetzt verkaufen Sie ihren rabattierten Strom zur Wärmeerzeugung eben an die Wäremepumper, egal wie gut die wirklich arbeiten...
 

Das Umweltbundesamt meint, die 'Elektro-Wärmepumpe sei mit einem Rucksack an Umweltschäden beladen' Die Verbraucherzentrale Saarland spricht sogar von einem Klimakiller im Schafspelz. Die Stiftung Warentest schreibt in Heft 6/07: 'Auf dem eigenen Grundstück verursacht die Wärmepumpe zwar keinerlei Abgase, doch ein fairer Vergleich mit anderen Heizsystemen muss berücksichtigen, was bei der Stromerzeugung passiert.' Der BUND spricht von einer verkappten Kohleheizung und hat dazu detaillierte korrekte Informationen zusammengestellt. Marco Nani (Leiter Wärmepumpentestzentrum in CH-Buch) in einem Kommentar in der Energiedepesche 2/08: 'In Untersuchungen in der Schweiz hat man erkannt, dass die Jahresarbeitszahlen verschiedener WP-Anlagen sehr große Streuungen aufweisen, und dies nicht nur in Sanierungsprojekten, sondern auch im Neubaubereich. Die teilsweise schlechten Betriebsbedingungen für Wärmepumpen konnten oft auf Fehlplanungen und /oder auf installionstechnische Mängel zurückgeführt werden.'

Stimmt das? Diese kleine Einführung soll immer wieder gestellte Fragen klären. Gleichzeitig erklärt es die Entäuschung durch hohen Stromkosten vieler Verbraucher, die durch den WP-Einbau eine Kostenreduzierung erwartet haben.

Aus der Werbung:

Gibt es sinnvolle Einsätze?

Klar, für die Hersteller gibt es nur sinnvolle Einsätze ihrer Maschinen - die wollen verkaufen :-) Dazu werden sogenannte Leistungszahlen herausgegeben, die zeigen, wievielfach der Wärmegegewinn im Verhältnis zur reingesteckten elektrischen Energie ist. Da ist in Prospekten von Faktoren bis zu 5 die Rede (die auf dem Prüfstand erreicht werden), die aber im realen Betrieb stark nach unten abweichen. Das sind in der Praxis dann nur noch 75...60% davon.   Bei Heizkesseln ist genau das selbe der Fall: Auf dem Prüfstand nur 8% Verlust (Norm-Nutzungsgrad), im realen Betrieb dann aber doch 25...50% Verlust. Es kommt eben darauf an, wie genau man die Prüfstandsbedingungen einhält! Bei Solarkollektoren nichts Anderes: Je höher man die in eine Übertemperatur zu Umgebung kommen lässt, desto unwirtschaftlicher arbeiten sie. Womit wir genau beim sinnvollen Einsatz der Wärmepumpe sind: kleine Temperaturdifferenzen!

Leistungszahl in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger. [Quelle: BINE]

Im obenstehenden Diagramm können wir sofort die 'guten' Anwendungen sehen: Wenn wir die Temperaturerhöhung auf 25 K begrenzen, erreichen wir die Leistungszahl 6!
 
Sinnvoll: Ja
In diesen Fällen müssen Sie eine Jahresarbeitsszahl (JAZ) erreichen, die mindestens 3, besser aber 3,5 ist. Das geht mit:

• hochwarmegedämmtem Haus und:
• Boden- oder Wandheizung,
• witterungsgeführter Rücklaufregelung.
• Einer warmen Primärwärmequelle: Erdreichkollektor, See
• Heizungsunterstützung mit Solarenergie
• Trinkwasserwärmung mit Solarenergie

• Heizkörperheizungen (zu hohe Temperatur)
• Trinkwasserwärmung (zu hohe Temperatur)
  (Spar-Tipp: Es gibt ganz billige Elektroheizpatronen, die nur ein Hundertstel einer WW-Wärmepumpe kosten: Der Elektro-Heizeinsatz. :-)

• verboten: die Luft-Wärmepumpe (zu kaltes Primärmedium, wenn man damit heizen will, besonders in Verbindung mit Trinkwasserwärmung.) Die Luftwärmepumpe ist z.B wegen ihrer elektrisch beheizten Vereisungverhinderung nur sinnvoll bei Außentemperaturen größer als +12 °C - doch bei 12...15°C ist schon Ihre Heizgrenze...

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) selber bestimmen

Wenn Sie die 2 wesentlichen Zähler besitzen, nämlich einen eigenen Stromzähler vor der Wärmepumpe, ihren Hilfspumpen und einen Wärmezähler pro Heizkreis, können Sie den Jahreswirkungsgrad (Leistungszahl, JAZ) ihrer Anlage einfach und genau bestimmen.
Mehr Infos finden Sie dazu unter Verluste und Optimierung.

• Dazu müssen Sie eventuell einen Wärmemengenzähler pro Heizkreis einbauen, aber das lohnt sich: Sie wissen, wo es lang geht.
• Führen Sie Buch über die Zählerstände der Wärmemengenzähler und über den Stromzähler der Wärmepumpe. Nachhalten kann man das gut mit eine Kalkulationsprogramm.
• Teilen Sie nach einemJahr Output durch Input, also die Summe der abgenommenen Wärmeenergieen durch die gelieferte Energiemenge für die Wärmepumpe.
  (Sollten Sie nach einem Jahr unter dem Wert 3,3 liegen: ärgern Sie sich nicht, Sie sind in guter Gesellschaft. Auch andere sind schon auf nicht eingehaltene Versprechen reingefallen. Immerhin - erinnern Sie sich, dass Sie subventionierten Strom verbraucht haben. Das ist etwas billiger, aber ein reiner Elektroheizstab wäre noch billiger gewesen.) :-/

1. Besser angepasste Erzeugerleistung. Grund hier...
2. Pufferspeicher vermindert Takten.
3. Dauerhaft niedrigere Temperaturen in der Verteilung.
4. Bessere Regelung als die alte Heizkiste. (Das ist immer so, wenn die Regelung älter als 10 Jahre war.)

Feldtests betätigen: JAZ = 3 wird selten erreicht :-(

Die Lokale Agenda 21 - Gruppe Energie Lahr im Schwarzwald untersucht mit der Ortenauer Energieagentur in Offenbach die Nutzungsgrade von 33 Wärmepumpenanlagen. Im Test sind 13 LuftWPs, 13 Erdreich-WPs und 7 Grundwasser-WPs. Die folgenden Zahlen sind bisher herausgekommen:
 
Von Seiten der Stromanbieter sind die Geräte bereits

• 'energeieffizient', wenn sie eine JAZ über 3 erreichen! und
• 'nennenswert energieffizient', wenn sie JAZ-Werte über 3,5 erreichen.
• Das Werbeziel ist JAZ = 4!

1. Beheizungsart
• Radiatoren verbrauchen wegen des höheren Temperaturniveaus 28% mehr Strom in der Heizperiode.
• Radiatoren verbrauchen 23% mehr im Vergleich zu Flächenheizungen.
2. Außenluft-WP
• Radiatoren: JAZ-Mittel = 2,3 - Streuung zwischen 1,4 und 2,8.
• Flächenheizungen: JAZ-Mittel = 2,83 - Streuung zwischen 2,2 und 3,3.
3. Grundwasser-WP
• Radiatoren; JAZ-Mittel = 3,4 - Streuung ??.
• Flächenheizungen: JAZ-Mittel = 3,0 - Streuung zwischen 1,9 und 4,2.
4. Erdreich-WP
• Radiatoren; JAZ-Mittel = 3,3 - Streuung zwischen 2,9 und 3,7.
• Flächenheizungen: JAZ-Mittel = 3,4 - Streuung zwischen 1,9 und 4,2.

• 300W Abluft-WP (aus Küche, Bad, Heizraum) JAZ-Mittel = 2,3
• 300W Kellerluft-WP JAZ-Mittel = 1,4 - Streuung zwischen 1,2 und 2,5.

Forschungsergebnisse 2010 vom FIZ Karlsruhe:

1. 'Die niedrigere JAZ im Sommer erklärt sich aus dem relativ höheren Anteil der TrinkWarmWasser-Bereitung'
   Also: Mit der richtigen Solaranlage wird die Wärmepumpe (im Verbrauch) billiger und besser!
2. 'Der Aufbau der hydraulischen Systems ist von größter Bedeutung für die JAZ!'
   Einfache Systeme sind besser als komplizierte Systeme.
   Verboten sind:
   • Einsatz von Mischern, die teuer erzeugte Temperaturen wieder vernichten.
   • Speicher, die ohne Thermosiphon angeschlossen werden, die falsch geladen werden, weil die Schichtung zerstört wird und die für ihr Funktion nicht eindeutig hydraulisch bedient werden.
   • Immer komplexer werdenden Regelstrategien bei einer wachsenden Anzahl Komponenten.

Die Praxis in einem realen Beispiel

Luft-Wasser Wärmepumpe ein einem sanierten Altbau
Der sanierte Altbau wurde nach CO2-Gebäudesanierungsprogramm umgebaut, wegen Denkmalschutz nur teilweise gut gedämmt und mit einer 11kW-Außenluft-Wärmepumpe versehen. Als Wärmeabnehmer wurde teilweise Fußbodenheizung eingebaut. Heizkörper dort, wo die Bausubstanz Bodenheizung nicht zuließ.
      Die Bewohner klagten über hohe Stromrechnungen bei zu kalter Wohnung. Der berechnete Wärmebedarf des umgebauten Häuschens betrug 9,5kW - das passte also auf den 1. Blick.
Beim zweiten Hinsehen stellt man fest: Ein Wärmepumpe liefert dann billige Wärme, wenn man sie nicht benötigt.
 

Heizleistung in kW über der Außentemperatur. [Quelle: Firmenunterlagen]

Schwarz ist die Leistungsabgabe der Luft-WP. Die beiden Linien sind 2 mögliche Rücklauftemperaturen aus den Verbrauchern.   Der Wärmebedarf des Hauses ist rot eingezeichnet: - Auf der Horizontalen schneidet die rote Linie die Außentemperatur bei 18°C: die Heizgrenze. - Wegen der Auslegungstemperatur -12°C schneidet die rote Linie die 10kW etwa bei der Außentemperatur -12°C.

Was passiert ...

...von +18° bis -4°?

Die WP erzeugt Wärme, bis sie nicht mehr kann. Das sieht man nämlich, wenn die rote Linie die schwarze WP-Leistungslinie schneidet...

...von -4° bis -12°?

Jetzt sinkt die Leistung der Wärmepumpe, der Wärmebedarf des Hauses steigt aber. In diesem Fall werden am Punkt -12°C nur noch 6kW von der Wärmepumpe erbracht und die restlichen 4 kW über den Elektroheizstab im Pufferspeicher. Alles Öko, oder was? Das ganze Dreieck oberhalb der Doppellinie muss von einer Zusatzheizung erbracht werden. Ökologisch wäre da nur ein Holzofen.

...unterhalb +10°C?

Unterhalb etwa dieser Temperatur ist schon der Öko-Kippunkt:

Leistungszahlenverlauf der Wärmepumpe. [Quelle: Firmenunterlagen]

Auf den dritten Blick offenbart sich der Schwindel...   Die beiden schwarzen Linien sind 2 mögliche Rücklauftemperaturen aus den Verbrauchern. Hier sieht man auch sofort, wie sich der hier nicht durchgeführte hydraulische Abgleich bemerkbar macht: Erhöhung der Rücklauftemperatur = Verschlechterung der Leistungszahl = mehr Stromkosten!       Die grüne Grenze liegt bei eta = 3,3. Hier drunter arbeitet die Luft-Pumpe als teuerer Elektroheizstab, weil zu wenig Umweltwärme aus der jetzt zu kalten Luft gewonnen werden kann.

• Über +10° Außentemperatur ist diese Wärmepumpe ein Gewinn für den Nutzer.
• Unter +10° kann die Wärmepumpe die Verluste der Strom-Erzeugung nicht mehr kompensieren.
• Unter -4°C Ta muss hier zusätzlich (elektrisch) nachgeheizt werden. (Natürlich nur zu subventioniertem Strom, wenn der Nachheizer am richtigen Zähler angeschlossen ist.)
• Das Verkaufsargument 'ökologisch' ist nur wahr bis zu einer Außentemperatur von >6°C. (Wahrheit hängt eben auch von der Temperatur ab :-)
• Nur Flächenheizungen sind für Wärmepumpen wirklich geeignet.
• Nur in besseren Niedrigenergiehäusern ist der Wärmepumpenbetrieb bezahlbar.

100% Öko

Man kann, wenn man's hat...
Man kann Wärmepumpen als echte ökologische Verstärker betreiben: Sie haben in Ihren Bachlauf ein Laufwasserkraftwerk und nehmen den Strom und die Wassertemperatur, um Ihre Wärmepumpe zu versorgen. Diese beheizt Ihre Boden- oder Wandheizung. Die wasserführenden Rohre der Heizung sind sehr eng gelegt, damit die Wärmepumpe nur eine geringe Übertemperatur erzeugen muss.
      Selbstverständlich haben Sie Ihr Haus auch so gut gedämmt, dass es zumindest nahe an den Passivhausstandard kommt. Ihr Warmwasser erzeugen Sie mit Solarkollektoren.... Vorzüglich! Der Wermutstropfen: Das Kleingeld und das eigene Landgut. :-(

Infos für Leute, die tiefer einsteigen wollen

1. Wikipedia: Grundlagen zum Verständnis der Funktion von Wärmepumpen
2. Wikipedia: Wärmepumpenheizung
3. Energiedepesche - Wärmepumpen
4. Telepolis: Wärmepumpe - nicht immer gut zur Umwelt
5. BINE Kurzinfo
6. Österreichische Energieagentur: Wärmepumpen und Öl-/Gasheizungen im Vergleich
7. Ökonomische und ökologische Bewertung vom Institut für Energiewirtschaft der Uni Stuttgart
8. Wissenschaftlich von der Uni Wolfenbüttel