Wärmepumpen richtig einschätzen

Stromfresser oder Ökoheizung ?

Autoren: Dr. Frohmader, Heinz Horbaschek, Arbeitsgruppe "Neue Energie" Kreisgruppe Bund Naturschutz Erlangen, hier auch Infoblatt über WP abrufbar

Erstellg. 25.3.2010
Update 14.3.2014, 04.03.2022, 20.07.2023

Motivation für die Arbeit:

Die zeitweise sehr hohen Energiepreise haben die Hersteller von Wärmepumpen für eine Reihe von Aktionen zur Stimulation des WP- Marktes genutzt, der Absatz steigt sehr stark an. Die Argumente sind aber meist allgemeiner Natur und kaum auf verstaendliche technische Fakten gestützt.
WP sind jedoch für die Energiewende unabdingbar geworden!

Uebliche Behauptung: Nur 25% Antriebsenergie nötig für 75% Gewinn von der Sonne!
Aber ganz so einfach ist die Sache doch wieder nicht!
Bei der Erzeugung der elektrischen Energie wird bei konventionellen Kraftwerken leider üblicherweise 2/3 der Energie als "Abwärme" ungenutzt in die Umwelt abgegeben! Wenn aus der elektrischen Energie nach Abzug der Verteilungsverluste über die WP dann nur wieder 100 % werden, hat die WP im Prinzip nur die Verluste diese Kraftwerke wieder wettgemacht. Bei 130 % ist ein kleiner Gewinn zu verbuchen.
Durch den deutlichen Ausbau der regenerativen Energieerzeugung hat die WP dagegen schon wesentlich eher einen erheblichen Vorteil.
Es ist schon etwas unverfroren, was die "Schönrechnung" des Energiebedarfs eines Fertighausherstellers behauptet: Ein nicht mehr dem technischen Stand entsprechendes KFW 60 Haus wird über Wärmerückgewinnung und der Definition der elektrischen Energie als "Endenergie" auf ein 1 Literhaus hingetrickst. Sieht man genauer hin, so stellt man auch fest, dass das WW vornehmlich direkt mit Strom erzeugt wird. Also Täuschung über Verwirrung!
Nicht näher betrachtet werden im folgenden WP, die mit anderem Antrieb als mit elektrischen Kompressoren betrieben werden.
Der schon recht kalten Ware mit 10 °C wird noch Wärme entzogen, die sich an der Rückseite des Kühlschranks als zusätzlich erzeugte Wärme am Kondensator äußert.
Bei der Erdreich- WP mit Tiefenbohrung wird z.B. dem kalten Ende der Sonde mit 1° C aus dem wärmeren Erdreich von 7° C Wärmeenergie zugeführt, die die WP über Kompression und Verflüssigung auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird. Diese Wärmeenergie kann dann über den Wärmetauscher als Heizenergie dem Haus zugeführt werden. Zum Antrieb der WP ist elektrische Energie notwendig.
Hier ist der Kreislauf des Kühlmittels detaillierter dargestellt. Das Zeichen "o" bedeutet gasförmiges Kühlmittel, "~" flüssiges. Das nach dem Verdampfer aus der Erde kühl und gasförmige kommende Kühlmittel enthält die von der Sonde aufgenommene Erdreichwärmeenergie. Der Kompressor verdichtet dieses Gas, es wird dadurch heiß. (Prinzip der warm werdenden Luftpumpe beim Aufpumpen des Fahrradreifens). Im nachfolgenden Kondensator wird durch die Abgabe der Wärmeenergie über den Wärmetauscher das Gas abgekühlt, so dass es in den flüssigen Zustand übergeht. Über das Entspannungsventil wird der Druck stark abgebaut, so sich dass das Gas stark abkühlt und im Verdampfer wieder in den gasförmigen Zustand übergeht. Dabei wird die Verdunstungswärme dem Erdreich entzogen. Die Temperatur liegt jetzt unter der des Erdreichs, so dass Wärmeenergie aufgenommen werden kann.
Das Diagramm zeigt den schon recht komplexen Zusammenhang bei einer theoretischen, also idealen WP, zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Temperatur des wärmeabgebenden Mediums. Man sieht deutlich den Zusammenhang zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der des Heizmediums. Immerhin erreicht die Leistungszahl mit einer Quelltemperatur von nur -15°C und einer Heizmediumtemperatur von 40 °C einen Wert von 6, was für eine praktisch ausgeführte WP exzellent wäre. Für geringere Heiztemperaturen und höhere Quelltemperaturen ergeben sich noch weit höhere Leistungszahlen.
Grundsätzlich lassen sich daraus schon wesentliche Anforderungen an das Gebäude ableiten:
Möglichst niedrige Heiz(körper)temperatur
möglichst hohe Temperatur der Wärmequelle 		 
Aber die ideale Leistungszahl wird durch mehrere “Verluste” der WP stark reduziert.
Dadurch klaffen die Werte für die theoretische WP und die realisierbare stark auseinander, d.h. das Verhältnis gewonnene Wärmemenge und eingesetzte elektrischen Energie wird deutlich schlechter.
Beispiel einer angegebene Leistungszahl für eine (Luft/Wasser-)WP.

Hier als einfacheres Diagramm für den Zusammenhang zwischen der gewonnenen Wärmemenge und der Quelltemperatur, wobei man deutlich sieht, dass unabhängig von der jeweiligen Leistungszahl der Stromverbrauch konstant bleibt.
Diese gegenüber der „praktischen“ Leistungszahl tatsächlich um alle zur WP gehörenden Antriebsleistungen, wie z.B. für die Solepumpe, reduzierte Zahl, wird jetzt als COP (Coefficient of Performance) angegeben. Sie ist damit ein Gütekriterium für die WP, kann aber zur Abschätzung des Energieverbrauchs über das ganze Jahr nicht verwendet werden, da sie nur für definierte Temperaturverhältnisse bzw. Arbeitspunkte angegeben wird.

Für den COP ergibt sich ein deutlich abgesenktes Diagramm. Beispielweise ergibt sich jetzt für 60 °C Heiztemperatur und –10°C Quelltemperatur jetzt nur noch ein Wert von 2,2, was der Praxis bei Luft/Wasser WP entspricht.

Aus dieser Erkenntnis lassen sich Anforderungen an die WP ableiten:

möglichst hoher Wirkungsgrad des Antriebsmotors
möglichst effizienter Kompressor (geringe Reibung)
möglichst idealitätsnaher Kreislaufprozess,
k(l)eine Abtauverluste
möglichst geringe Temperaturverluste in den Wärmetauschern
möglichst geringe Antriebsleistungen der Zusatzaggregate

In der Praxis wird dann oft die Leistungszahl, d.h. exklusive aller Antriebsenergien, für verschiedene Arbeitspunkte, also verschiedenen Quell- und Heizkörpertemperaturen, angegeben. Dabei bedeutet z.B. B0W35 - Sole 0 °C und Wasser 35 °C. Leider führen 2 unterschiedliche Normen leicht zu Verwirrungen. Bei der alten Norm EN255 ist die Temperaturdifferenz zwischen Heizungsvorlauf und dem Heizungsrücklauf 10 °K, bei der neuen Norm EN 14511 nur 5 °K.

Bei höherer Differenz ergibt sich aber eine um ca. 8% höhere Leistungszahl, was aber nicht unbedingt den Realitäten der Heizkörper entspricht. Was dann in der Praxis tatsächlich vorhanden ist, lässt sich aber kaum daraus ableiten.

Daneben sieht man deutlich die Abnahme der Leistungszahl von 4,3 auf 2,7, wenn die Heizungsvorlauftemperatur statt 35 auf 55 °C angehoben werden muss. Damit ist klar, dass dieses ältere System(von 2010!) für Altbausanierung nicht zu empfehlen ist.

   
Will man aus den unterschiedlichste Arbeitspunkten auf die wesentliche Vergleichszahl, die sog. Jahresarbeitszahl von WP kommen, muss man die abgegeben Wärmemenge und die aufgewandte elektrische Energie über die sich während des Jahres ergebenden, unterschiedlichen Leistungszahlen aufsummieren.
Diese Berechnung ist sehr komplex, da sie die die „Jahresdauerlinie“ der Außentemperatur berücksichtigen muss (wie viele Tage welche Außentemperatur), damit in die individuelle Heizungskennlinie des Hauses gehen muss (welche Vorlauftemperatur bei welcher Außentemperatur) und damit in das Kennlinienfeld der realen Leistungszahl (COP). Das Integral ergibt dann die JAZ. Da dies für ein geplantes Gebäude nur schwierig vorauszuberechnen ist, werden normierte Jahresverläufe angegeben, die z.B. auch für die Förderung ausschlaggebend sind.
Auch die JAZ kann unterschiedlich definiert werden, wichtig ist aber, nur die SJAZ, also die System- JAZ zu nehmen, da diese alle wärmepumpenspezifischen Aufwände berücksichtigt. Hier kann z. B. die Miteinbeziehung der zusätzlichen elektrischen Energie für das Auftauen eines unter bestimmten Verhältnissen vereisten Verdampfers eine Luft/Wasser WP sein.
Alle Anforderungen an das Gesamtsystem Waermepumpe/Haus zusammengefasst

Waermequellen:

Im folgenden werden betrachtet
Luft
Grundwasser
Erdreich
Beispiel von Herstellerangaben Für eine (von 2010!), „besonders für Altbausanierung geeignete“ Luft/Wasser WP finden sich diese Angaben für die Leistungszahlen – eigentlich fast eine Unverschämtheit, bei einer Leistungszahl von nur 1,85 bei -15 °c und Wasser 55 °C! Eine JAZ wird hier nicht angegeben. Hier haben sich in den letzten Jahren wesentliche Verbesserungen ergeben
Wärmemehrverbrauch und Fehldimensionierung:
Bei Mehrverbrauch bei einer konventionellen Heizung steigt der Eneregieverbrach proportional.
Das Diagramm zeigt auch im Gegensatz dazu, dass bei WP Fehldimensionierungen aller Art und Verhaltensänderung der Hausbesitzer eine überproportionale Verbrauchssteigerung am Strom zur Folge haben. Soll bei einer Wärmepumpe z.B. die Raumtemperatur erhöht werden, steigt zwangsläufig die Vorlauftemperatur der Heizung. Dadurch verschlechtert sich aber auch die Leistungszahl. Das Gleiche gilt bei Fehldimensionierung. Bei einer Überdimensionierung der WP verringert sich ebenfalls die Leistungszahl.
Somit ist die in der Praxis erreichte, individuelle JAZ in den meisten Fällen deutlich schlechter als die rechnerisch ermittelte.
Ganz klar kommt dieser Umstand bei Feldversuchen an bereits installierten WP heraus. Hier sind die Ergebnisse des Feldversuchs der
http://www.agenda-energie-lahr.de/WP_Jahresbericht2006-08.html
gezeigt.

wesentlich besser sind die Ergebnisse der Fraunhofer Studie von 2017, der Bereich bei den Luft/Wasser WP hat sich deutich noch oben verschoben.

https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2017/gestiegene-effizienz-feldtests-bestaetigen-potenzial-von-waermepumpen-als-wichtigster-heiztechnik-der-zukunft.html Besonders auffällig ist dabei immer noch die rel. große Streubreite der Ergebnisse, ganz klar ist der Vorteil der niedrigen Vorlauftemperatur wie z.B. bei der Fußboden- oder Wandheizung oder spezieller Niedrigtemperatur Heizkörper. Es klaffen zum Teil der propagierter Anspruch der Hersteller und die Wirklichkeit weit auseinander.
Sehr klar sieht man hier auch die Abhängigkeit von der geographischen Lage. In wärmeren Regionen wird nicht nur ohnehin weniger Heizenergie benötigt, es steigt auch die Leistungszahl an.
Die Foerderrichtlinien geben bestimmte Minimal- JAZ vor. Diese müssen aber auch in der Praxis erreicht werden, man behält sich Überprüfungen und ggf. Rückforderungen vor. Daher ist es wichtig, entsprechende Garantien vom Anlagenhersteller zu bekommen, bzw. mit Reserven zu planen.
Allgemeiner Trend:
Heizwärmebedarf sinkt, prozentualer Anteil WW steigt. Besonders nachteilig für die WP ist die stetige Zunahme des relativen Warmwasseranteils an den Heizkosten, da die Leistungszahl für die hohen Temperaturen deutlich abnimmt. War er bei älteren Häusern unter 15 % steigt er bei modernen, voll gedämmten Bauten durchaus bis 50 % ! Die Angaben der Firmen gehen aber meist von deutlich geringeren WW % aus, wie das Beispiel Stiebel- Eltron mit nur 18 % zeigt. Hier wäre eine Investition in Dämmaßnahmen und eine PV- Anlage oekonomischer.
Sinnvoll: Kombination mit Solarenergie!
Abhilfe für ungünstige Leistungszahlen bei der WW- Erzeugung bringt die Kombination mit solarer WW- Erwärmung.
Kombination mit Photovoltaik ist dagegen immer sinnvoll, da die Effizienz der PV bei kalten Temperaturen deutlich beser ist als die der Solarthermie.
CO2:
Wenn man sich die immer zitierten CO2- Emissionen im Vergleich ansieht, erkennt man, dass die WP eine deutliche Reduzierung bringt. Gegenüber dem Brennstoffzellen/BHKW ist aber noch etwas im Nachteil. Das verbessert sich aber laufend durch die Änderung des Strommixes und verschlechtert sich bei dem Brennstoffzellen/BHKW, die ohnehin sehr teuer sind. Die nachwachsenden Rohstoffe wären dann günstiger, wenn ein Gleichgewicht zwischen Anbau und Ernte erreicht wäre, was aber leider nicht mehr gegeben ist.
Alle Anforderungen:
Hier sind nochmals die wesentlichen Anforderungen an die WP und das Gebäude zusammengefasst. Dazu sind Voraussetzungen für einen qualifizierten Einbau einer WP genannt.
Aber..... Das bleibt!
 

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